Aurinkolämpöjärjestelmän yksityiskäyttö

Antti Äijänen

Aurinkolämpöjärjestelmän yksityiskäyttö

Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK)

Kone- ja tuotantotekniikka Insinöörityö

15.8.2018

Tekijä

Otsikko Sivumäärä Aika

Antti Äijänen

Aurinkolämpöjärjestelmän yksityiskäyttö 48 sivua + 1 liite

15.8.2018

Tutkinto Insinööri (AMK)

Koulutusohjelma Kone- ja tuotantotekniikka Suuntautumisvaihtoehto Energia- ja ympäristötekniikka Ohjaaja

Lehtori Jarmo Perttula

Metropolia Ammattikorkeakoululle tehdyn insinöörityön tarkoituksena oli perehtyä erilaisiin aurinkolämpöjärjestelmiin sekä tutkia nestekiertoisen aurinkolämpöjärjestelmän taloudel- lista kannattavuutta todellisessa esimerkkikohteessa. Työssä perehdyttiin neste- ja ilma- kiertoisiin keräimiin, keskittäviin keräimiin sekä aurinkolämmön passiiviseen hyödyntämi- seen. Muut kuin nestekiertoiset keräimet jäivät vain mainitsemisen tasolle.

Työssä läpikäytiin muun muassa aurinkolämpöjärjestelmän toiminta ja komponentit sekä järjestelmän hankinnassa huomioitavia asioita, kuten mitoitus, suuntaus ja asennus. Käy- tännön tavoitteena oli tutkia nestekiertoisen järjestelmän kannattavuutta Jyväskylässä si- jaitsevassa kaukolämmön piirissä olevassa asuinrakennuksessa. Tätä varten vertailtiin neljää erilaista aurinkolämpöjärjestelmää, joista kaksi valittiin olemassa olevan kaukoläm- pöjärjestelmän yhteydessä toimiviksi, ja kaksi muuta hypoteettisen vesikiertoisen sähkö- lämmityksen näkökulmasta. Tämä sen vuoksi, että järjestelmän toiminta ja kannattavuus riippuu olennaisesti olemassa olevasta päälämmönlähteestä.

Kannattavuutta tutkittiin takaisinmaksuajan sekä investoinnin nykyarvon näkökulmasta ja todettiin, että kaukolämmön yhteyteen asennettava käyttövesijärjestelmä vaikuttaa huo- mattavan tappiollisella. Syynä tähän on erillisesti hankittava lämminvesivaraaja, joka nos- taa kokonaisinvestointia tuntuvasti, sekä käyttövesijärjestelmään liittyvät matalat energiata- sot. Sen sijaan sähkölämmityksen yhteyteen asennettava hybridijärjestelmä, joka lämmit- tää sekä tiloja että käyttövettä, havaittiin hyvinkin kannattavaksi. Tähän syyksi katsottiin valmiiksi olemassa oleva aurinkokeräinten kanssa oletetusti yhteensopiva varaaja, joka laskee investoinnin hintaa, sekä tämänkaltaisten järjestelmien korkea energiatuotto suuren keräinkentän vuoksi.

Lopputuloksena voitiin todeta aurinkolämmön hyödyntämisen yksityiskäytössä olevan kan- nattavaa Suomenkin leveyspiireillä, varsinkin jos rakennuksen olemassa oleva lämmön- lähde on vesikiertoinen mahdollistaen aurinkoenergian käytön sekä rakennuksen tilojen että käyttöveden lämmityksessä.

Avainsanat Aurinkoenergia, Aurinkolämpö, Aurinkokeräin

Author

Title

Number of Pages Date

Antti Äijänen

Private Residential Use of a Solar Thermal System 48 pages + 1 appendix

15 August 2018

Degree Bachelor of Engineering

Degree Programme Mechanical and Production Engineering Professional Major Energy and Environmental Engineering Instructor Jarmo Perttula, Senior Lecturer

The objective of this Bachelor’s thesis was to study different kinds of solar heating systems and examine the economical benefits of a liquid-heating solar collector system in a real residential building. The theory of liquid-heating solar collectors, solar air heaters, concen- trating solar collectors and passive solar building design were examined.

The thesis analyzes the operation and components of the solar heating system and some important aspects to consider when planning to acquire one, such as dimensioning, orien- tation, positioning and installation. The practical goal of the thesis was to research the eco- nomic viability of a solar thermal collector system in a residence in Jyväskylä which is us- ing district heating as its primary heating source. Four different solar heating systems were compared for the research, two for the current district heating system and two for the hypo- thetic waterborne electric heating system. The reasoning behind this is that the functioning and the productiveness of the solar heating system depends on the type of the primary heating system.

The economical benefits of the solar thermal system were examined with the present value method and payback period method. It was concluded that the hot water supply system in- stalled among the district heating system was very unprofitable. The reasons for this are the cheap price of the primary heating source and e.g. the energy storage tank that in- creased the cost of the investment considerably. However, the hybrid system operating among the waterborne heating system seemed highly profitable, for the price of electricity is relatively expensive and the collector fields of such systems are usually large, producing energy for both hot water supply and space heating.

In conclusion, it was discovered that harnessing solar thermal energy for private use can be potentially highly profitable, depending on the type of the primary heating source and the geographic location of the apartment.

Keywords Solar energy, Solar heating, Solar thermal collector

Lyhenteet

1 Johdanto 1

2 Aurinkoenergian hyödyntäminen 2

3 Aurinkokeräin 4

3.1 Toimintaperiaate 4

3.2 Nestekeräin 4

3.2.1 Toiminta ja ominaisuudet 4

3.2.2 Tasokeräin 6

3.2.3 Tyhjiöputkikeräin 7

3.3 Ilmakeräin 9

3.4 Keskittävät keräimet 10

3.5 Passiivinen aurinkolämpö 12

3.6 Keräimien hyötysuhteet 13

3.6.1 Hyötysuhteen laskeminen 14

3.6.2 Hyötysuhteen parantaminen 16

3.7 Keräimien sijoitus ja suuntaus 17

3.8 Järjestelmä 19

3.8.1 Rakenne ja toiminta 19

3.8.2 Suora sähkölämmitys 21

3.8.3 Vesikiertoinen sähkölämmitys 22

3.8.4 Öljylämmitys 22

3.8.5 Puulämmitys 22

3.8.6 Lämpöpumppu 23

3.8.7 Kaukolämpö 23

3.9 Lämmön varastointi 23

4 Järjestelmän hankinta 25

4.1 Hankinta ja kannattavuus 25

4.2 Järjestelmän mitoitus 28

4.3 Järjestelmän asennus 30

5.1 Esimerkkikohde 31

5.2 Lämpöenergian kulutus 33

5.3 Auringon säteilytasot 34

5.4 Lämpöenergian hinta 36

5.5 Esimerkkijärjestelmät 36

5.5.1 Kaukolämpö A 37

5.5.2 Kaukolämpö B 38

5.5.3 Sähkölämmitys A 39

5.5.4 Sähkölämmitys B 41

5.5.5 Päätelmiä 42

6 Yhteenveto ja loppupäätelmät 44

Lähteet 46

Liite: Kannattavuuslaskurin tulokset

Ee Säteilyvoimakkuus, yksikkö W/m².

kWh Kilowattitunti, olennaisin tässä työssä käytetty energian yksikkö.

P Poisi, dynaamisen viskositeetin yksikkö Cgs-järjestelmässä. Vastaa SI-jär- jestelmän yksikköä 0,1 Pa * s.

TMA Takaisinmaksuaika.

W Watti, tehon yksikkö.

η Hyötysuhde.

1 Johdanto

Uusiutuvien energiamuotojen hyödyntäminen on tullut jatkuvasti tärkeämmäksi maapal- lon luonnonvarojen väistämättä ehtyessä, saasteongelmien kasvaessa ja ilmastonmuu- toksen voimistuessa. Uusiutuvalla energialla tarkoitetaan energialähteitä, joiden poltto- ainevarat eivät ole rajalliset kuten fossiilisilla polttoaineilla (öljy, hiili, maakaasu) vaan täydentyvät ajan myötä. Näitä energiamuotoja ovat muun muassa aurinko-, tuuli-, maa- lämpö- ja vesivoima, jotka ovat kaikki maalämpöä lukuun ottamatta itse asiassa aurin- kovoiman eri muotoja. Ihmiskunnan energiantarve on lisäksi jatkuvasti nousussa, joten ennemmin tai myöhemmin ollaan suurella todennäköisyydellä tilanteessa, jossa fossii- listen polttoaineiden tarjonta ei enää vastaa kysyntää. Vielä ei kuitenkaan ole käytän- nössä mahdollista vastata maailman energiatarpeeseen pelkästään uusiutuvalla energi- alla, joten tarvitaan uusiutuvan energian ja fossiilisten polttoaineiden yhteiskäyttöä.

Uusiutuvan energian hyödyntämiseen liittyy runsaasti muitakin hyötyjä. Kasvihuone- päästöt ja saasteet ovat joko hyvin vähäiset tai olemattomat. Tällöin muun muassa il- manlaatu on parempi, vähentäen terveysongelmia, sekä vältytään fossiilisten polttoai- neiden lisäämältä ilmakehän rikki- ja typpioksidien pitoisuudelta, joka aiheuttaa happo- sateita. Fossiiliset polttoaineet ovat aiheuttaneet myös kauppakiistoja, poliittisia jännit- teitä sekä energian hintapiikkejä. Uusiutuvien energiamuotojen tuotannon hinta on va- kaampaa, sillä niihin liittyy yleisesti ainoastaan käyttöönottokustannukset. Haittatekijöinä voidaan mainita muun muassa varsinkin aurinko- ja tuulivoiman epäluotettavuus, näiden ollessa riippuvaisia vallitsevasta säätilasta, sekä suhteellisen matala energiatehokkuus.

Hyvien puolien voidaan kuitenkin katsoa varsinkin pitkällä tähtäimellä ylittävän haitat.

Tämän insinöörityön tarkoituksena on tutkia uusiutuvan energiamuodon käyttömahdolli- suutta yksityistarpeisiin, tässä tapauksessa auringon säteilyenergian hyödyntämistä lämmöntuotantoon tarkoitetulla aurinkokeräinjärjestelmällä. Tämän ohessa perehdytään lyhyesti myös aurinkolämmön passiiviseen hyödyntämiseen. Käytännön tavoitteena on selvittää aurinkolämpöjärjestelmän kannattavuutta Jyväskylässä sijaitsevan omakotita- lon tilojen ja käyttöveden lämmityksessä täydentävänä lämmitysmuotona kaukolämmön lisäksi.

2 Aurinkoenergian hyödyntäminen

Auringon ytimessä joka sekunti 600 miljoonaa tonnia vetyä fuusioituu 596 miljoonaksi tonniksi heliumia, muuttaen 4 miljoonaa tonnia massaa energiaksi. Tämä vapautunut energia antaa auringon kokonaistehoksi noin 380 YW (jottawatti), eli 3,8 x 10²³ kW. Tästä energiasta maapallon pinnalle säteilee kokonaisuudessaan noin 170 000 TW:n teho, josta ei voida hyödyntää kuin hyvin pieni osa. Tämä säteilyenergia on noin 20 000 kertaa suurempi kuin maapallon teollisuuden ja lämmityksen käyttämä kokonaisenergia. Ne- liömetriä kohti auringon säteilyteho maan etäisyydellä ilmakehän ulkopuolella on noin 1 366 W säteilyä vastaan kohtisuoralla tasolla. Tätä lukua kutsutaan aurinkovakioksi, mutta se ei ole absoluuttinen vakio vaan vaihtelee +/- 3,5 % maapallon ja auringon etäi- syysvaihteluiden takia. Käytännössä säteilystä pääsee ilmakehän läpi vain noin 60 %, eli 800–1000 W/m², sillä osa absorboituu muun muassa ilmakehässä olevaan vesi- höyryyn, pölyyn ja hiilidioksidiin. Maan pinta ei myöskään yleensä ole säteilyä vastaan kohtisuorassa, joten säteilyteho on senkin vuoksi pienempi. [1; 2; 3.]

Kaikki maapallolla käytettävät energialähteet ydin- ja geotermistä energiaa lukuun otta- matta ovat alun perin lähtöisin auringosta erilaisten kiertojen ja biologisten prosessien kautta. Esimerkiksi maaöljy on lähtöisin muinaisista kasveista ja eliöistä, joiden jäännök- set auringon lämmön vaikutuksesta ovat hajonneet nestemäisiksi hiilivedyiksi. Perintei- set energialähteet siis hyödyntävät polttoainevarastoa, jonka aurinko on ladannut pit- kässä prosessissa. Aurinkoenergiajärjestelmät taas ottavat auringon energian suoraan talteen, siirtäen sen käyttökohteisiin. Nykyään yleisin tapa hyödyntää aurinkoenergiaa on sähkön tuottaminen valosähköistä ilmiötä hyödyntävällä aurinkokennolla. Valosähköi- sessä ilmiössä auringon säteilyn fotonit absorboituvat kennon atomeihin, vapauttaen elektroneja ja muodostaen jännitteen. Aurinkolämpöjärjestelmässä, johon tässä insinöö- rityössä perehdytään, auringon säteily muunnetaan sähkön sijaan lämmöksi aurinkoke- räimellä, josta lämpö siirretään käyttökohteisiin. Aurinkokennolla maan pinnalle saapu- vasta säteilytehosta yleisesti noin 20 % voidaan muuntaa sähköksi, joskin kokeellisissa tutkimuksissa on saavutettu jopa 45 % tuloksia. Aurinkokeräimellä säteilyn energiasta voidaan hyödyntää lämpö- ja säteilyolosuhteista riippuen usein yli 40 %. [2.]

Suomessa merkittävä osa auringon säteilystä koostuu suoran säteilyn lisäksi ns. ha- jasäteilystä, joka on ilmakehän epäpuhtauksien kuten pilvien sekä maan pintojen heijas- tamaa auringonsäteilyä. Etelä-Suomessa noin puolet vuosittaisesta auringon säteilystä on hajasäteilyä. Kuten kuvassa 1 näkyy, vuosittaiset säteilytasot ovat jopa samaa

luokkaa kuin Pohjois-Saksassa, mutta Suomessa säteily keskittyy eteläisempää Euroop- paa tehokkaammin kesäkuukausille. Aurinkolämmön luontevimmat käyttökohteet Suo- messa ovatkin juuri sellaisia, joissa lämmön tarvetta on myös aurinkoisimpaan ja lämpi- mimpään aikaan vuodesta, eli lähinnä kesällä. Tavallisessa omakotitalossa tämä tarkoit- taa lähinnä käyttöveden lämmitystä ja ympärivuotisesti käytössä olevien kosteiden tilo- jen, kuten pesu- ja saunatilojen lämmitystä. Aurinkolämpö soveltuu hyvin myös ulko- uima-altaiden lämmitykseen kesäaikaisen käytön ja matalan lämpötilatason vuoksi. Huo- netilojen varsinaiseen lämmitykseen ei aurinkokeräimellä saada kovinkaan suuria ener-

giamääriä. [2; 4.]

Kuva 1. Auringon vuosittainen kokonaissäteilyenergia sekä aurinkosähkön potentiaali Euroo- passa. [4.]

3 Aurinkokeräin

3.1 Toimintaperiaate

Aurinkokeräin on laite, jonka tehtävä on vastaanottaa aurinkosäteilyä ja muuttaa se läm- möksi, joka voidaan kuljettaa nesteen tai ilman mukana varastoitavaksi tai suoraan käy- tettäväksi. Keräimet ovat joko ei-keskittäviä tai keskittäviä. Ei-keskittävissä keräimissä keräinpinta-ala, eli alue joka-vastaanottaa auringon säteilyä, on sama kuin absorp- tiopinta-ala, eli alue joka absorboi säteilyä muuntaen sen lämmöksi. Käytännössä kaikki kaupalliset keräimet ovat ei-keskittäviä. Keräimissä voidaan käyttää lämmönsiirtoai- neena joko nestettä tai ilmaa, joten keräimet voidaan jakaa kahteen pääryhmään:

• nestekiertoiset keräimet, joissa absorboivaan pintaan muodostuva lämpö siirretään nesteen avulla lämpövaraajaan tai suoraan käyttökohteisiin

• ilmakiertoiset keräimet, joissa lämpö siirretään ilman avulla käyttökohteisiin tai varaajaan.

Valtaosa nykyisin asennettavista keräimistä on nestekiertoisia, ja tätäkin insinöörityötä lähestytään nestekiertoisen järjestelmän näkökulmasta. [2.]

3.2 Nestekeräin

3.2.1 Toiminta ja ominaisuudet

Nestekiertoisessa aurinkokeräimessä lämpö siirtyy absorptioelementistä keräimessä kiertävään nesteeseen, jolla on hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet. Virtaava neste kuljet- taa lämmön varastoon tai käyttökohteisiin.

Vedellä on muita nesteitä selvästi paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet, ja sitä voidaan käyttää lämmönsiirtonesteenä järjestelmissä, joissa ei ole jäätymisvaaraa. Ympäri vuo- den toimivat vesikiertoiset järjestelmät edellyttävät tyhjennysjärjestelyä, jotta putkisto ja absorptioelementit voidaan tyhjentää vedestä lämpötilan laskiessa alle 0 °C. Jäätymis- ongelmien vuoksi ympärivuotisissa järjestelmissä veteen sekoitetaan yleensä propylee- niglykoliin pohjautuvaa pakkasnestettä. Pakkasnesteen ja veden sekoitus alentaa jääty- mispistettä ja nostaa kiehumispistettä, mutta puhtaaseen veteen verrattuna sen lämmön- siirtokyky ja pumpattavuus ovat hieman huonommat. Järjestelmän vaurioitumisen

estämiseksi pakkasnesteen osuuden vedestä tulisi olla noin 40–50 %. Korkeampi pitoi- suus saattaa vaurioittaa tiivisteitä ja matalampi taas aiheuttaa jäätymistä pakkasella. Ta- vallisesti pyritään 45 % pakkasnestepitoisuuteen. Taulukossa 1 on listattuna kolmen ylei- sen lämmönsiirtonesteenä käytetyn aineen ominaisuuksia. [2; 27.]

Taulukko 1. Eräiden nesteiden lämmönsiirto-ominaisuuksia.

Nestekiertoisten keräimien hyvät puolet:

• Nesteellä on hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet, eli korkea lämpökapasi- teetti.

• Lämpöä voi helposti siirtää varaajaan.

• Nestekiertoiset järjestelmät soveltuvat kaikkiin tavallisiin käyttötarkoituk- siin, kuten lämpimän käyttöveden ja tilojen lämmitykseen.

Nestekiertoiset järjestelmät sopivat mm. lämpimän käyttöveden lämmitykseen ja tilojen lämmitykseen, jos rakennuksen lämmitysjärjestelmä on vesikiertoinen. Aurinkolämpö so- veltuu hyvin lattialämmitykseen, jossa käytetään lämpöpattereita alhaisempia lämpöti- loja. Nestekiertoiset keräimet voidaan jakaa kahteen päätyyppiin, jotka ovat tasokeräi- met sekä tyhjiöputkikeräimet. [2.]

Aine Visko-

siteetti cP (10^-3 Pa*s)

Jääty- mispiste

°C

Kiehu- mispiste

°C

Suhteellinen lämpökapa- siteetti

Ominaislämpö- kapasiteetti kJ/K*kg

Vesi 0,5 - 0,9 0 100 1 4,18

Vesi-etyleeni- glykoliseos

1,2 - 4,4 -36 110 0,83 ≈3,47

Vesi-propyleeni- glykoliseos

1,4 - 7,0 -31 110 0,87 ≈3,64

3.2.2 Tasokeräin

Tasokeräimessä keruuputkisto on asennettu vaakatasoon. Keräin voi olla joko katettu tai kattamaton. Kate suojaa absorbaattoria tuulelta ja sateelta ja on valmistettu yleensä vähärautaisesta karkaistusta ja erikoispinnoitetusta lasista, jonka lämpösäteily läpäisee tavanomaista lasia tehokkaammin. Absorptioelementti koostuu yleensä tummapintai- sesta levystä, jonka alla sijaitsee tiheä yhteen liitetty lämmönsiirtonestettä kuljettava put- kisto tai kanavisto. Keräimen takaseinämänä toimii lämpöä tehokkaasti eristävä kerros, esimerkiksi lasivilla. Absorptiolevy on yleensä kuparia tai alumiinia niiden hyvän lämmön- johtavuuden vuoksi, mutta myös lämpöä kestäviä muoveja käytetään. Absorptioelement- tien putkistot valmistetaan lähes poikkeuksetta kuparista. Elementin tumma pinta absor- boi siihen lankeavasta säteilystä suurimman osan ja kuumenee. (Kuva 2.) [2.]

Kuva 2. Esimerkki tasokeräimen rakenteesta (malli CPK). [23.]

Keräinelementin absorbointiominaisuuksia voidaan parantaa olennaisesti varustamalla se selektiivisellä pinnoitteella. Pinnoite absorboi tehokkaasti lyhytaaltoista säteilyä ja sä- teilee huonosti takaisin pitkäaaltoista säteilyä, jolloin se toimii eräänlaisena valolouk- kuna, kasvattaen keräimen hyötysuhdetta. Nykyisissä kaupallisissa keräimissä on lähes poikkeuksetta selektiivinen pinnoite. Tyypillisiä pinnoitteita ovat elektrolyyttisesti valmis- tetut mustakromi- ja mustanikkelipinnat sekä erilaiset tyhjiötekniikkaan perustuvat pin- nat. [2.]

3.2.3 Tyhjiöputkikeräin

Tyhjiöputkikeräimissä absorptioelementti on sijoitettu eristeenä toimivan tyhjiöksi imetyn lasiputkilon sisälle. Ne voidaan jakaa kahteen alatyyppiin:

• tyhjiöputket, joissa lämmönsiirtoneste kiertää tyhjiöputken sisällä olevassa u-muotoisessa kupariputkessa tumman absorboivan pinnan alla

• tyhjiöputket, joissa on erillinen suljettu heat pipe -lämpöputki, jossa neste höyrystyy suhteellisen matalassa lämpötilassa, kuljettaen sitomaansa läm- pöä lämmönsiirtimeen.

Absorptiopinnan ollessa putkimaisessa muodossa tyhjiöputkikeräimen rakenne ei ole riippuvainen säteilyn tulosuunnasta kuten tasokeräimessä, mikä tehostaa aurinkoener- gian hyödyntämistä. Rakenteensa vuoksi tyhjiöputkikeräin voi myös hyödyntää tasoke- räintä tehokkaammin hajasäteilyä, eli säteilyä joka ei tule suoraan auringosta, vaan hei- jastuu muun muassa pilvistä ja ilman epäpuhtauksista, sekä kiinteistä pinnoista. Suo- messa noin 40–50 % auringon kokonaissäteilystä on hajasäteilyä. Lasiputken tyhjiö toi- mii tehokkaana lämmöneristeenä, estäen absorboitua lämpöä karkaamasta takaisin ul- koilmaan. Tämän vuoksi tyhjiöputken lämmöntuotto voi varsinkin kylminä vuodenaikoina olla korkeampi kuin tasokeräimissä. Lämpiminä vuodenaikoina, kuten kesällä, tyhjiö- putki- ja tasokeräinten lämmöntuotoissa ei ole suuria eroja. [2.]

Tyhjiöputki voi olla joko yksi- tai kaksilasinen. Tyhjiöputkea voidaan käyttää myös kes- kittävissä keräimissä, joissa koverilla heijastavilla pinnoilla lisätään putkeen tulevaa sä- teilyä. Lämmönsiirto tyhjiöputkesta lämmönsiirtonesteeseen tapahtuu joko läpivirtauspe- riaatteella tai heat pipe -lämpöputken avulla (kuva 3). Läpivirtausperiaatteella toimivissa keräimissä neste virtaa yleensä u-muotoisessa putkessa. Keskittävissä keräimissä käy- tetyissä putkissa neste voi virrata tyhjiöputken toisesta päästä sisään ja toisesta ulos.

Yksilasisessa tyhjiöputkessa nesteputkeen kiinnitetty absorbaattorilevy sijaitsee putken sisällä olevassa tyhjiössä. Tällöin lämmönsiirtoputkiliitokset ovat putken yläosassa, ja ne voivat olla helposti avattavissa, jolloin keräimen yksittäisten tyhjiöputkien vaihtaminen on mahdollista. Yksittäiset tyhjiöputket on kytketty virtausteknisesti rinnakkain keräimen ylä- osassa oleviin tulo- ja menoputkiin. [2.]

Kuva 3. Heat pipe -tyhjiöputkikeräimen rakenne. [24.]

Kaksilasisessa tyhjiöputkessa absorbaattorilevy ja lämmönsiirtoputki eivät ole tyhjiössä, vaan tyhjiö on ulomman ja sisemmän lasisylinterin välissä. Sisemmässä lasissa olevasta absorptiopinnasta lämpö siirtyy johtumalla sylinterimäiseen metallipintaan, joka on kiinni lämmönsiirtoputkessa. Kaksinkertaisessa tyhjiöputkessa tyhjiö on lasikerrosten välissä, joten ne ovat ylhäältä avoimia, jolloin ne voidaan vaihtaa koskematta lämmönsiirtoput- kien liitoksiin. [2.]

Heat pipe -tyhjiöputken lämpöputkessa oleva helposti höyrystyvä neste muodostaa oman lämmönsiirtopiirin. Lämpöputkessa höyrystynyt neste nousee putken yläosaan ja kondensoituu, luovuttaen lämpöenergiansa keräimen yläosassa olevan lämpöeristetyn kotelon putkistossa liikkuvaan lämmönsiirtonesteeseen. Lämpönsä luovuttanut konden- soitunut neste palaa takaisin putken alaosaan höyrystettäväksi. Lämpöputken höyrysty- vänä nesteenä voidaan käyttää alkoholia tai vettä, jolloin lämpöputkessa on normaalia ilmanpainetta alhaisempi paine, ja vesi höyrystyy reilusti alle 100 °C lämpötiloissa. Läm- pöputken yhteydessä olevat kuivat lämmönsiirtoliitokset mahdollistavat keräimen yksit- täisten tyhjiöputkien helpon vaihtamisen. Keräin voi koostua jopa useasta kymmenestä

rinnakkaisesta tyhjiöputkesta, ja niiden vaatima kokonaispinta-ala tuotettua lämpötehoa kohden on yleensä pienempi kuin tasokeräimissä, mutta ne ovat toisaalta myös 30–50 % kalliimpia. [2.]

3.3 Ilmakeräin

Ilmakeräin on lämmönsiirrin, joka käyttää lämmönsiirtoaineena ilmaa. Ilman lämpökapa- siteetti ja lämmönsiirto-ominaisuudet ovat huonommat kuin nesteen, mutta rakentamalla absorptioelementtejä, joissa on riittävän suuri lämmönsiirtopinta, saadaan hyvin toimivia laitteita. Useimmat ilmakeräimet koostuvat kahdesta levystä, joiden välin lämmönsiir- toilma täyttää kokonaan. Tämä mahdollistaa suuremman lämmönsiirtoalueen kuin put- kistoja hyödyntävät nestekiertoiset keräimet. (Kuva 4.)

Kuva 4. Esimerkki ilmakeräimen toiminnasta. [5.]

Konvektiohäviöitä, joissa lämmin ilma nousee absorptioelementistä katteeseen, voidaan estää imemällä ilmaa vastakkaiseen suuntaan. Säteilyhäviöitä lämpimästä pinnasta kat- teeseen voidaan estää selektiivisellä pinnoitteella kuten nestekeräimessä. Ilman alhai- sen lämpökapasiteetin ja tiheyden vuoksi saman lämpömäärän siirtäminen ilmalla vaatii

noin 4 000 kertaa suuremman ilmamäärän kuin vedellä. Tämä edellyttää samassa suh- teessa suurempia kanavia ilmakeräimellä, sillä ilman ja veden virtausnopeudet eivät juu- rikaan poikkea toisistaan. [2; 5.]

Ilmat edut nesteeseen verrattuna:

• Ilma ei jäädy eikä aiheuta ylilämpenemisongelmia.

• Ilma on täysin turvallista (vuodot eivät vahingoita muita rakennusosia).

• Ilma lämpenee nopeammin.

• Ei korroosio-ongelmia.

• Keräimet ovat helpompia rakentaa.

Ilman haitat nesteeseen verrattuna:

• Lämpökapasiteetti on alhainen.

• Säädettävyys on vaikeampaa.

• Soveltuu huonommin lämpimän käyttöveden lämmittämiseen.

Tiloja lämmittäessä ilma voidaan kanavoida suoraan lämmitettävän tilan huoneilmaan.

Suomen olosuhteissa ilmakeräimillä ei saada siirrettyä tarpeeksi suuria energiamääriä tilojen lämmittämiseen, mutta esim. kesämökkien tuuletukseen ne soveltuvat kohtalaisen hyvin. [5.]

3.4 Keskittävät keräimet

Keskittävissä aurinkokeräimissä auringon säteily ohjataan heijastuselementin avulla ab- sorptioelementtiin. Heijastuselementtinä toimii yleensä parabolinen peili, joka voi järjes- telmästä riippuen olla muodoltaan esim. kulho-, levy- tai kourumainen. Heijastettujen au- ringonsäteiden polttopisteeseen on sijoitettu absorptioelementtinä toimiva putki, jonka läpi virtaa neste, jonka ominaisuudet riippuvat käyttötarkoituksesta. Joissakin ratkai- suissa käytetään lämpöhäviöiden pienentämiseksi myös tyhjiöputkea, jonka sisällä var- sinainen absorptioputki kulkee. Aurinkolämmön hyödyntämistavoista keskittävillä ke- räimillä päästään korkeimpiin lämpötiloihin. [6.]

Keskittävät keräimet voidaan jakaa kahteen päätyyppiin:

• Keräinjärjestelmät, jotka aktiivisesti seuraavat aurinkoa. Kulhomaisissa heijastuselementeissä säteet kohtaavat absorptioelementissä ainoastaan kun keräin on suunnattu suoraan aurinkoa kohti, joten tämänkaltaisissa jär- jestelmissä auringon jatkuva seuraaminen on välttämätöntä lämpötehon tuotannon maksimoimiseksi.

• Kiinteät keskittävät kerääjät, jotka eivät seuraa aurinkoa ja voidaan taso- ja tyhjiöputkikeräinten tapaan asentaa kiinteästi. Muun muassa kourumaiset keräimet ovat usein kiinteitä. Niiden keskityssuhde on pienempi ja lämpö- tilat alhaisemmat kuin aurinkoa seuraavien keräimien.

Keskittävää aurinkoenergiaa käytetään erityisesti teollisessa mittakaavassa varsinkin sähköntuotannossa. Tämänkaltaiset aurinkolämpövoimalat koostuvat lukuisista parabo- lisista kouruista tai levyistä, joiden peilit keskittävät auringonsäteet öljytäytteiseen ab- sorptioputkeen. Tämä kuumennettu öljy ohjataan lämmönvaihtimelle, jossa se höyrystää turbiinia pyörittävää vettä aivan kuten perinteisessä sähkövoimalassa. (Kuva 5.) Keskit- täviä aurinkokeräimiä ei ole juurikaan hyödynnetty kaupalliseen lämmöntuotantoon. [6.]

Kuva 5. Nevadassa sijaitseva Crescent Dunes -aurinkolämpövoimala. [7.]

3.5 Passiivinen aurinkolämpö

Aurinkolämmön passiivisella hyödyntämisellä tarkoitetaan koko rakennuksen suunnitte- lua siten, että ikkunoiden kautta kerätty aurinkolämpö varastoituu rakenteisiin niin tehok- kaasti, ettei rakennuksen lämmittäminen aurinkoenergialla edellytä erillistä aurinkoke- räinjärjestelmää, eli aktiivista hyödyntämistä. Tällöin rakennus itsessään toimii sekä au- rinkokeräimenä että lämpövarastona.

Tämän mahdollistamiseksi täytyy rakennusta suunnitellessa kiinnittää erityistä huomioita tiettyihin asioihin. Pääosan rakennuksen ikkunoista tulisi olla suunnattuna etelään (poh- joisella pallonpuoliskolla). Se kuinka paljon rakennus pystyy aurinkolämpöä hyödyntä- mään, riippuu muun muassa rakennuksen suuntauksesta, sijainnista, materiaaleista, muodosta sekä ikkunoiden koosta. Rakennuksen hyvä sijainti passiivisen aurinkoläm- mön kannalta tarkoittaa esimerkiksi hyvää tuulensuojaa (mm. maastonmuodot tai kasvil- lisuus), mutta toisaalta korkeahkoa paikkaa maastossa. Rakennuspaikassa ikkunat tulisi pystyä suuntaamaan luontevasti etelään ilman puuston tai muiden rakennusten varjos- tusta. Ikkunoissa tulisi olla hyvä lämmöneristävyys sekä korkea aurinkoenergian koko- naisläpäisykerroin eli g-arvo.

Kesäaikojen korkean kulman auringonsäteet estetään varjostavalla kaihtimella tai raken- teella, joka vähentää sisätilojen lämpökuormaa kuumimpaan vuodenaikaan. Talvisia ja viileämpien vuodenaikojen matalalta tulevaa auringonsäteilyä varjostus ei tällöin estä.

Yksi vaihtoehto on myös lehtipuiden istuttaminen ikkunoiden eteen, jolloin ne osin suo- jaavat auringolta kesäisin mutta eivät talvisin. Passiivista aurinkolämpöä hyödyntävä ra- kennus edellyttää myös erityistä huonesuunnittelua, jossa tilat joilla on suurin lämmön- tarve sijaitsevat heti ikkunoiden takana. Tuuletuksen huolellinen suunnittelu on olen- naista ylimääräisen lämmön siirtämiseksi muihin tiloihin sekä ulos rakennuksesta.

Se, kuinka paljon rakennuksen sisään ikkunoiden kautta lankeavasta aurinkosäteilystä voidaan ottaa talteen, riippuu olennaisesti talon sisällä käytetyistä materiaaleista. Lämpö varastoituu ensisijaisesti talon rakenteisiin, joten materiaaleilla tulisi olla mahdollisimman korkea ominaislämpökapasiteetti. Tähän tarkoitukseen hyviä materiaaleja ovat muun muassa betoni ja tiili. Puurakenteisten talojen lämmönvarastointikykyä voidaan parantaa sijoittamalla rakennuksen sisäosiin esim. tiiliseiniä ja lattioita. Tämä edellyttää sitä, ettei tällaisia pintoja peitetä mitenkään.

Kuten aktiivinen järjestelmä, passiivinen järjestelmäkin edellyttää säätöjärjestelmää, jolla voidaan vaikuttaa energian kiertoon. Tällaisia järjestelmiä ovat esim. erilaiset sulkujär- jestelmät kuten verhot, kaihtimet, luukut ja liukuovet, sekä tarvittaessa mekaaniset lait- teet kuten puhaltimet energian luonnollisen kulkemisen tehostamiseen. Tällaisessa hyb- ridijärjestelmässä käytetään siis sekä passiivisia että aktiivisia elementtejä.

[2; 8.]

3.6 Keräimien hyötysuhteet

Aurinkokeräimeen tulevasta aurinkosäteilystä voidaan hyödyntää vain osa. Keräimen hyötysuhde olosuhteista ja tekniikasta riippuen voi olla jopa 80 %, koko järjestelmän hyö- tysuhteen ollessa kuitenkin pienempi. Hyödynnettävissä olevaan aurinkoenergiaan vai- kuttavat mm:

• aurinkokeräimen suuntaus ja kaltevuuskulma

• aurinkokeräimen katteen ominaisuudet

• lämmöneristys ja tiiviys

• materiaalien absorptio- ja lämmönsiirtokyky

• lämmönsiirtoaineen ominaisuudet

• aurinkokeräimen käyttölämpötila

• lämmönsiirtoputkien lämmöneristys

• haluttu lämpötila ja energiamäärä

• ulkolämpötila

• tuulisuus

• auringon tulokulma

• varjot.

[2.]

3.6.1 Hyötysuhteen laskeminen

Aurinkokeräimelle voidaan laskea lämpöteho ja hyötysuhde, kun tunnetaan keräimen pinta-ala, keskimääräinen lämpötila, ympäristön lämpötila ja säteilymäärä. Hyötysuhde on sitä pienempi, mitä suurempi keräimen ja ympäristön lämpötilaero ja heikompi aurin- gon säteilyteho on. Keräimen koon määrittämiseen voidaan käyttää kolmea eri pinta- alamittaa, jotka ovat (kuva 6)

• bruttopinta-ala (keräimen ulkoiset dimensiot: pituus x leveys)

• apertuuripinta-ala (lasikatteen pinta-ala)

• absorbaattoripinta-ala (avoimen absorptioelementin pinta-ala).

Apertuuripinta-ala on tasokeräimien tehovertailussa yleisimmin käytettävä mitta. [2; 9.]

Kuva 6. Tasokeräimen ja tyhjiöputkikeräimen pinta-alat. [10.]

Tasokeräimen tuottaman lämpötehon Qu (W) voi laskea vähentämällä keräimen läm- pöhäviöt keräimen absorboimasta säteilyenergiasta, joka on auringon säteilyteho kerrot- tuna keräimen optisella hyötysuhteella. Tällöin laskukaava on yksinkertaisimmillaan:

𝑄_𝑢 = 𝐴_𝑐[𝑆 − 𝑈_𝐿(𝑇_𝑝𝑚− 𝑇_𝑎)] (1) [3.]

missä

Ac on tasokeräimen pinta-ala (m²)

S on keräimen absorboima säteilyteho pinta-alayksikköä kohden (W/m²) UL on lämmönsiirtymiskerroin (W/m²K)

Tpm on keräinlevyn lämpötila (K) Ta on ympäristön lämpötila (K)

Jos lämpöolosuhteet katsottaisiin vakioksi jatkuvasti, tasokeräimen hyötysuhteen η las- kukaava on yksinkertaisimmillaan:

𝜂 =

𝐸_𝑒𝐴_𝐶 (2) [3.]

missä

Ee on säteilyvoimakkuus (W/m²)

Keräimen todellinen hyötysuhde riippuu olennaisesti keräimen ja ympäristön lämpötila- erosta sekä keräimen ominaisuuksista. Monista Euroopassa myytävistä keräimistä löy- tyvät tiedot ja arvot, joiden avulla voidaan laskea keräimen tarkempi hyötysuhde. Nämä ovat keräimen optinen hyötysuhde η0, lineaarinen lämmönläpäisykerroin k1 sekä toisen potenssin lämmönsiirtokerroin k2. Kun nämä arvot sekä aurinkosäteilyn teho (W/m²) ja lämpötilaero ΔT ovat tiedossa, voidaan laskea keräimen tarkka hyötysuhde seuraavalla kaavalla:

𝜂 = 𝜂₀− 𝑘₁(^𝛥𝑇

𝐸𝑒) − 𝑘₂(^ΔT2

𝐸𝑒) (3) [10.]

Kun hyötysuhde lasketaan useissa eri lämpötila- ja säteilyolosuhteissa, keräimelle saa- daan piirrettyä useita hyötysuhdekäyriä (kuva 7), jotka antavat hyvin näyttöä keräimen toiminnasta eri olosuhteissa. [10.]

Kuva 7. Saksalaisen Wagner Solarin erään tasokeräimen hyötysuhdekäyrät. [10.]

Esimerkki: Wagner Euro L20AR -tasokeräimen hyötysuhde.

Olosuhteet:

Ee = 400 W/m² Tkeräin = 50 °C Tulko = 20 °C

ΔT = Tkeräin - Tulko = 30 °C

Keräimen ominaisuudet: [28.]

η0 = 84,8 % k1 = 3,46 W/m²K k2 = 0,0165 W/m²K²

𝜂 = 0,848 − 3,46 (30

400) − 0,0165 (30² 400)

η = 0,55 = 55 %

Näin ollen keräimen lämpöteho Q kyseisissä olosuhteissa keräinneliötä kohden:

Q = η * Ee = 0,55 * 400 W/m² = 220 W/m²

3.6.2 Hyötysuhteen parantaminen

Tasokeräimet varustetaan yleensä läpinäkyvällä katteella, koska ulkoilmassa suojaa- mattomassa absorptioelementissä lämpöhäviöt olisivat suuret. Valoa läpäisevä kate pie- nentää lämpöhäviötä, ja sen ominaisuuksilla on olennainen vaikutus keräimen hyötysuh- teeseen. Yleensä riittää vain yksi tai korkeintaan kaksi katekerrosta, sillä kerrosten lisää- minen nostaa keräimen hintaa ja vähentää absorptiopinnalle tulevaa säteilyenergiaa.

Tavallisin katemateriaali on vähärautainen erikoislasi, joka kestää keräimen lämpötilan vaihtelut ja päästää lävitseen yli 90 % aurinkosäteilystä. Keräin voidaan myös varustaa muovisella katteella, jonka etuja lasiin verrattuna ovat mm. keveys ja iskunkestävyys sekä edullisempi hinta. Huonompia puolia ovat mm. muovien pehmeämpi pinta, likaan- tumisalttius ja suuren lämpölaajenemisen vaatima liikkumisvara.

Nykyään yleisin ratkaisu on tehdasvalmisteinen kokonainen laite, johon kuuluvat ab- sorptiolevy, kate, eristys, karmi ja liittymisputket. Tällaisten laitteiden eristyspaksuus on 5–8 cm. Toinen tapa on rakentaa absorptioelementtien avulla rakennuksen vaipan osia kuten julkisivuja ja vesikattoja. Tällöin rakennusosan oma lämmöneristys toimii samalla myös keräimen eristeenä. Näissä integroiduissa keräimissä lämpöhäviöt sisäänpäin ovat hyvin pienet.

Tyypillisesti esim. varhain aamulla ja myöhään iltapäivällä on tilanteita, joissa aurinko paistaa mutta hyötyä ei saada. Säteilyteho on alhainen ja/tai käyttö- ja ulkolämpötilan ero on liian suuri. Suuren lämpötilaeron takia myös lämpöhäviöt kasvavat. Tasoke- räimillä, joissa on suuri absorptiopinta, saavutetaan parhaat hyötysuhteet alhaisilla läm- pötila-alueilla.

Pyrittäessä tasokeräimellä korkeisiin käyttölämpötiloihin kasvavat myös lämpöhäviöt, joista merkittävin on absorptiopinnasta keräimen kehyksiin ja katteeseen konvektion avulla tapahtuva lämmönsiirtyminen. Tyhjiöputkikeräimestä ilma on poistettu lähes ko- konaan, jolloin konvektion osuus on hyvin vähäistä. Tällöin keräimen hyötysuhde säilyy tasokeräintä parempana korkeissa toimintalämpötiloissa.

[2; 9.]

3.7 Keräimien sijoitus ja suuntaus

Aurinkokeräimen toiminnan kannalta on erittäin tärkeää, että aurinko pääsee paistamaan keräimeen mahdollisimman esteettömästi koko päivän. Keräimiä ei siis pidä asentaa var- joisaan paikkaan. Maan pyöriminen oman akselinsa ympäri aiheuttaa auringon näennäi- sen kulkemisen taivaan poikki, kulkureitin riippuessa leveysasteesta ja vuodenajasta.

Reitin lakipisteessä aurinko on keskipäivällä, lakipisteen ollessa korkeimmillaan kesällä, kun taas talvella talvipäivänseisauksena noin 47° kesäpäivänseisausta matalammalla.

Näin ollen Etelä-Suomessa leveyspiirillä 60° talvella auringon korkeuskulma keskipäi- vällä on vain 7° ja kesällä 53°. Kuvassa 8 on 2D Sun-Path -selainohjelmalla generoitu auringon sijainti- ja korkeuskulman näyttävä malli. [2.]

Kuva 8. Auringon sijainti Helsingissä kesäpäivänseisauksena 21. kesäkuuta klo 12 (punainen

katkoviiva). Punainen yhtenäinen ellipsi näyttää auringon kulkureitin kesäpäivänsei- sauksena ja etäisyys keskipisteestä kertoo auringon korkeuskulman. Oranssit katkovii- vat kuvaavat auringon kulkureitin vaihtelua vuoden aikana. [11.]

Pohjoisella pallonpuoliskolla aurinko nousee idän suunnasta ja laskee etelän kautta län- teen, joten käytännössä yleensä riittää, että kaakon ja luoteen väliset esteet kohoavat horisontista alle 20° korkeuskulmaan keräinten sijoituspaikasta katsottuna. Yleensä riit- tävän varjoisa ja lämmin paikka löytyy rakennuksen katolta. Ympäristön puiden varjot harvoin yltävät katolle saakka, vaikka ne muodostaisivatkin pihalle varjoja. Riittävän avoimella tontilla keräimet voidaan myös sijoittaa rakennuksen pihamaalle, ottaen huo- mioon että keräinten etäisyys varaajasta tulisi pitää mahdollisimman pienenä. [2.]

Keräimen suuntaamisessa on kaksi muuttujaa: suuntauskulma ja kallistuskulma. Paras asennussuunta pohjoisella pallonpuoliskolla on etelään päin. Kallistuskulma sen sijaan riippuu ympäristön ominaisuuksista ja siitä, minkälaiseen käyttöön halutaan keskittyä.

Jos halutaan keskittyä koko vuoden tuotantoon, optimaalinen kallistuskulma on Suomen leveysasteilla noin 45°. Etelässä tämä kulma on hieman pienempi ja pohjoisessa taas suurempi. Mikäli halutaan optimoida kesän tuottoa, riittää loivempi kallistuskulma. Ke- vättalven tuottoon keskityttäessä kannattaa keräimet nostaa pystympään, noin 60° kul- maan, tai Pohjois-Suomessa jopa 80° asti. [2.]

Yleensä päästään käytännössä parhaaseen tulokseen asentamalla keräimet rakennuk- sen katon suuntaisesti. Se on edullisempaa ja esteettisempää kuin käyttää monimutkai- sia keräintelineitä ja niiden tukirakenteita. Suurempi pinta-ala korvaa hieman virheellisen suuntauksen aiheuttamaa tuoton vähenemää. Suomessa keräimien asennuskulmaa va- littaessa on syytä huomioida myös talviset olosuhteet lumisateineen ja jäätymisineen.

Keräimet olisi hyvä asentaa siten, että lumi pysyy niissä mahdollisimman huonosti tai mahdollinen kertynyt lumi voidaan poistaa niistä helposti. [2.]

3.8 Järjestelmä

3.8.1 Rakenne ja toiminta

Aurinkolämpöjärjestelmän perusosat ovat keräimet, pumppuyksikkö, ohjausyksikkö, va- raaja, lämmönsiirrin, putkisto sekä varolaitteet. Nämä osat ovat muodossa tai toisessa jokaisessa aurinkolämpöjärjestelmässä riippumatta siitä, mikä on päälämmönlähde.

Pumppuyksikkö kierrättää lämmönsiirtonestettä keräinten ja varaajan lämmönsiirtimen välillä. Tehdasvalmisteisissa yksiköissä on valmiiksi asennettuna myös tarvittavat varo- venttiilit, takaiskuventtiilit sekä lämpö- ja painemittarit. (Kuva 9.)

Kuva 9. Aurinkokeräinjärjestelmän toiminta yksinkertaistettuna. [12.]

Ohjausyksikkö käynnistää ja pysäyttää järjestelmän pumpun. Sitä varten se seuraa läm- mönsiirtopiirin lämpötiloja ainakin kahden anturin avulla, joista toinen on keräimissä ja toinen varaajassa. Se estää myös varaajan ylikuumenemisen pysäyttämällä tarvittaessa kiertopumpun. Ohjausyksikössä voi olla myös lisätoimintoja kuten erilaisia laskureita ja hälytyksiä.

Järjestelmän putkisto on yleensä kuparia tai ruostumatonta terästä. Putkisto eristetään korkeita lämpötiloja kestävällä materiaalilla. Osana keräinpiirin putkistoa on paisunta- astia, jonka tehtävänä on suojata järjestelmää liialliselta paineen nousulta. Sen valin- nassa täytyy huomioida riittävän korkea rakennepaine, joka määräytyy järjestelmän va- roventtiilin avautumispaineen perusteella. Sen tulee myös kestää mahdollisessa ylikuu- menemistilanteessa syntyvän höyryn lämpötila. Paisunta-astian tilavuus valitaan

samalla tavalla kuin patteriverkossa, minkä lisäksi on varauduttava koko keräintilavuu- den täyttymiseen höyryllä.

Varaaja valitaan aurinkokeräinten pinta-alan perusteella, ellei järjestelmään liity muita suurempaa tilavuutta vaativia komponentteja. Varaajana voi toimia järjestelmään kuu- luva muu vesitilavuudeltaan riittävän suuri komponentti kuten tähän tarkoitukseen suun- niteltu kattila. Lämmönsiirtimenä käytetään yleensä varaajaan sijoitettua kuparikierukkaa tai ulkoista levylämmönsiirrintä. Ulkoinen siirrin on pienissä järjestelmissä taloudellisesti järkevä vain erikoistapauksissa.

Nykyisin käytettävät keräimet ovat pääasiassa tasokeräimiä, joiden määrä yleensä vali- taan lämpimän käyttöveden kulutuksen perusteella. Tavallisesti parin neliömetrin kokoi- sia keräimiä tarvitaan 2–4 kpl. Keräimet voidaan kytkeä joko sarjaan tai rinnan. Yleensä tulisi pyrkiä siihen, että keräimet muodostavat yhtenäisen kentän, jolloin ne kaikki ovat samoissa olosuhteissa ja järjestelmän ohjaus on yksinkertaisempaa.

Aurinkolämpöjärjestelmän liittäminen olemassa olevaan lämmitysjärjestelmään riippuu olemassa olevan järjestelmän lämmönlähteen tyypistä. Seuraavissa osioissa on esitel- tynä muutama yleinen esimerkki.

[2; 12; 13.]

3.8.2 Suora sähkölämmitys

Huonekohtaisessa suorassa sähkölämmityksessä tilat lämmitetään sähkövastuksin muun muassa lämpöpattereilla ja kaapelilattialämmityksellä. Tällöin ainoa mahdollisuus aurinkolämmön hyödyntämiseen on käyttöveden lämmitys. Lämmin käyttövesi valmiste- taan lämminvesivaraajassa pääasiassa edullisella yösähköllä. Markkinoilla olevat varaa- jat vaihtelevat kooltaan, materiaaleiltaan ja asennustavaltaan. Tyypillinen pientalon käyt- tövesivaraaja on tilavuudeltaan 300 l ja sähkövastus teholtaan 3 kW.

Aurinkolämpöä hyödynnettäessä käyttöveden lämmityksessä on käytettävä pystymal- lista erikoisvaraajaa, jonka alaosassa on lämmönvaihtimena toimiva kuparinen aurinko- kierukka. Aurinkokeräinten tuottama lämpö siirretään aurinkokierukan kautta varaajaan, muuten varaaja ei poikkea tavanomaisesta. Aurinkolämmön varastoinnin takia voidaan käyttää hieman suurempaa varaajaa, esim. 500-litraista. Keräinmäärä valitaan

käyttöveden kulutuksen perusteella, yleensä käytetään 2–3 tavanomaista parin ne- liömetrin kokoista tasokeräintä. [2; 30.]

3.8.3 Vesikiertoinen sähkölämmitys

Vesikiertoinen eli varaava sähkölämmitys tarjoaa hyvän mahdollisuuden käyttöveden li- säksi myös huonetilojen lämmittämiseen osin aurinkoenergialla. Järjestelmä sisältää jo luonnostaan vesivaraajan, joka on keskeinen osa aurinkolämpöjärjestelmää. Varaaja on tyypillisesti kooltaan 1 000–3 000 l ja sen alaosaan on sijoitettu 2–4 sähkövastusta ja yläosaan yksi. Huonetilojen lämmitystä varten varaajan vettä kierrätetään rakennuksen lämpöpattereissa sekä lattialämmitysputkistoissa. Sekoitusventtiili ohjaa lähtevän veden lämpötilaa yleensä ulkolämpötilan perusteella. Aurinkolämpöjärjestelmä liitetään lämmi- tysjärjestelmään lisäämällä varaajaan ylimääräinen lämmönsiirrin keräinpiiriä varten.

[2; 30.]

3.8.4 Öljylämmitys

Aurinkoenergian hyödyntäminen öljylämmityksen yhteydessä toteutetaan samankaltai- sesti kuin vesikiertoisessa sähkölämmityksessä, mutta tarvitaan vesitilavuudeltaan ta- vanomaista öljykattilaa suurempi varaaja. Öljylämmitysjärjestelmä sisältää öljykattilan öl- jypolttimineen, öljysäiliön sekä lämmönjakolaitteet. Järjestelmä toimii samankaltaisesti kuin vesikiertoinen sähkölämmitys. Poltin lämmittää kattilan veden lämpötilaohjatusti, ja lämpö jaetaan patteriverkostolla ja/tai lattialämmitysputkistolla. Kattilaan sijoitettu läm- mönvaihdin eli kierukka tai erillinen levylämmönsiirrin valmistaa käyttöveden. [2; 30.]

3.8.5 Puulämmitys

Aurinkokeräinjärjestelmä sopii hyvin puu- tai biomassalämmityksen yhteyteen. Puu pa- laa tehokkaammin ja puhtaammin talvikaudella, mutta voi kesäaikana ylilämmittää sisä- tiloja. Aurinkolämpöä hyödynnettäessä puulämmityksen yhteydessä vapaudutaan lisäksi kesäkauden lämmityksen polttoainehuollolta. Aurinkokeräimet liitetään puulämmityk- seen kuten vesikiertoisessa sähkölämmityksessä. Keräimet mitoitetaan kesäaikaisen lämmönkulutuksen perusteella ja liitetään varaajaan sijoitettuun ylimääräiseen lämmön- siirtimeen. Puukattiloihin on usein liitetty 1 000–3 000 l varaaja, jotta lämmitys voitaisiin

hoitaa jaksoittaisesti. Kattilassa itsessään on yleensä 150–200 l sisäinen varaaja. Sekä ulkoinen että sisäinen varaaja sisältävät käyttövesikierukat. [2; 30.]

3.8.6 Lämpöpumppu

Lämpöpumppujärjestelmällä noin kaksi kolmasosaa lämpöenergiasta otetaan maape- rästä, kalliosta tai vesistöstä. Aurinkokeräinpiirin voi kytkeä maalämpöjärjestelmään pa- rantamaan sen tehoa ja hyötysuhdetta tai vaihtoehtoisesti käyttämään maalämpöpiiriä lämpövarastona. Maalämpöpumpussa on joko erillinen tai sisäänrakennettu varaaja eri- tyisesti lämpimän käyttöveden saatavuuden varmistamiseksi. Sisäänrakennetun varaa- jan tilavuus on yleensä 150–500 l ja erillisen vähintään 300 l.

Varaaja voi olla joko kaksoisvaippavaraaja, jossa on erilliset tilat sekä käyttövedelle että lämmityskiertovedelle, tai tulistusvaraaja jossa käyttövesi lämmitetään käyttövesikieru- kassa. Varaajassa voi olla paikka aurinkokierukalle jo valmiina, ja sen voi usein asen- nuttaa tilaustuotteissa valmiiksi siihen soveltuvaan varaajamalliin. [2; 30.]

3.8.7 Kaukolämpö

Kaukolämmön yhteydessä järkevin tapa käyttää aurinkoenergiaa on käyttöveden esiläm- mitys aurinkokeräimillä yksinomaan aurinkolämpöä hyödyntävässä varaajassa. Vesi siis esilämmitetään varaajassa ennen lämpimän veden kaukolämmönvaihdinta, jolloin veden lämmitys kaukolämmöllä tavoitelämpötilaan vaatii vähemmän energiaa. Tällöin käyttö- pisteestä saa aina sopivan lämpöistä vettä riippumatta auringon paisteesta, sillä kauko- lämpö hoitaa aina tarvittavan loppulämmityksen. Aurinkolämpöjärjestelmän kannatta- vuus kaukolämmön yhteydessä riippuu eniten kaukolämmön hinnoittelusta ja hintojen kehityksestä sekä aurinkolämpöteknologian kehityksestä ja kustannuksista. [2.]

3.9 Lämmön varastointi

Aurinkolämmön hyödyntäminen, kuten monet muutkin uusiutuvan energian muodot, on riippuvaista vallitsevasta säätilasta. Välillä voi olla pidempiäkin ajanjaksoja, jolloin aurin- gon säteilyä on merkittävästi vähemmän hyödynnettävissä, myöskin optimaalisimpaan aikaan lämmöntuotannon kannalta, kuten kesällä. Tällöin kerätyn lämmön osittainen va- rastointi heikomman tuotantojakson varalle on olennaista aurinkolämmön

mahdollisimman tehokkaassa hyödyntämisessä. Auringonpaisteen vuodenaikaiset ja vuorokautiset vaihtelut ovat ennakoitavissa, säätilan ennakointi sen sijaan on merkittä- västi epävarmempaa.

Vesivaraajan käyttö on ylivoimaisesti yleisin ratkaisu lämpöenergian varastoimiseen au- rinkolämpöjärjestelmissä. Vesivaraaja on tavallisesti vuorokausivaraaja, jolloin aurinko- lämpöä on käytettävissä aurinkoisina vuodenaikoina vuorokauden ympäri, ja myös sa- teisina ja pilvisinä päivinä. Yhden perheen omakotitaloissa vesivaraaja on kooltaan yleensä 300–1000 l. Suuret kymmenien tuhansien kuutiometrien kausivarastot, joihin lämpöenergiaa varastoidaan kesäkuukausilta talvelle, ovat Suomessa harvinaisia.

Vesivaraajan koko sekä lataus- ja purkauskytkennät määrittävät sen, kuinka suuri osa lämpimän käyttöveden tarpeesta ja lämmitysenergiasta saadaan aurinkolämmöstä. Va- raaja on mitoitettava oikeassa suhteessa aurinkokeräimien kokoon ja niiden tuottamaan lämpötehoon. Nyrkkisääntö on, että varaajatilavuutta tulisi olla 50 – 100 l keräinneliötä kohti. Varaajatilavuus voi olla lähempänä alarajaa silloin, kun varaajaa puretaan run- saasti myös aurinkoisina päivinä, tai kun keräimet ovat tasokeräimiä eivätkä ne ole täysin etelään päin suunnattuja. Ylärajaa voidaan käyttää kun käytetyt keräimet ovat tyhjiöput- kia, ne on suunnattu etelään ja niiden kaltevuus on noin 45°, tai kun varaajan lämmittä- miseen käytetään ympäri vuoden muutakin energialähdettä kuin aurinkoa. Aurinkoisena päivänä keräinneliömetri voi tuottaa 2–3 kWh lämpöenergiaa, mikä nostaa 100 l vesi- määrän lämpötilaa 15–25 °C ja vastaavasti 50 l lämpötilaa 30–50 °C.

Varaajan tilavuuden ohella myös lataus- ja purkauskytkennät ratkaisevat kuinka paljon aurinkoenergiaa voidaan päivittäin käyttää. Parhaille järjestelmille on tyypillistä, että va- raajaan syntyy lämpökerrostumista eivätkä lataus- ja purkauskytkennät sekoita varaajan lämpökerrostumia. Veden ominaispainon pienentyessä sen lämmetessä se pyrkii varaa- jan yläosaan, kun taas viileämpi ja painavampi vesi alaosaan. Varaaja, jonka yläosan veden lämpötila on 60 °C ja alaosan 20 °C sisältää yhtä paljon lämpöenergiaa kuin va- raaja, jonka vesi on kauttaaltaan 40 °C. Ensin mainitun varaajan yläosan vettä ei kuiten- kaan tarvitse lämmittää lisää jollakin muulla energialla, jotta sitä voisi hyödyntää käyttö- vesijärjestelmässä, toisin kuin varaajan jonka vesi on vain 40-asteista. Aurinkolämpö- keräin myös toimii paremmalla hyötysuhteella lämmittäessään varaajan alaosan 20-as- teista vettä 40-asteisen sijaan. Veden varastoinnissa on huomioitava, ettei varaajan ve- den lämpötila saisi olla pitkään alle 55-asteista. Tämän syynä on haaleassa vedessä kasvava keuhkokuumeen kaltaisia oireita aiheuttava legionella-bakteeri, jonka tehokas

kasvulämpötila on 20–45 °C. Bakteerit kuolevat muutamassa minuutissa jos vesi lämmi- tetään yli 60-asteiseksi.

[2.]

4 Järjestelmän hankinta

4.1 Hankinta ja kannattavuus

Aurinkolämpöjärjestelmän hankinta alkaa kartoituksella kohteen energiatarpeesta ja jär- jestelmän käyttötarkoituksesta. Olennaista on järjestelmän oikeanlainen mitoitus. Mah- dollisimman optimaalisen mitoituksen varmistamiseksi kannattaa laitteiston sopivan koon laskeminen jättää järjestelmän toimittajalle tai suunnittelijalle. Tarjouspyyntöä jätet- täessä olennaisia tietoja ovat mm. rakennuksen asukasmäärä, saneerauskohteen läm- mitysjärjestelmä, energiankulutusprofiili, asennuspaikan tekniset tiedot ja rakennuksen pohjapiirustukset.

Kokonaiseksi järjestelmäksi, josta hinta koostuu, katsotaan kokonaisuus johon kuuluvat seuraavat osat ja komponentit:

• aurinkokeräimet

• kattokiinnikkeet: jalat ja kiskot

• pumppu ja varolaitteet

• ohjausyksikkö

• paisunta-astia

• lämmönsiirtoputkisto

• putkiliittimet keräinten ja pumpun välillä

• lämmönsiirtoneste

• varaaja, jos rakennuksen lämmitysjärjestelmä ei sisällä sitä jo ennestään.

[14.]

Yksi tapa tarkastella aurinkolämmön kannattavuutta on laskea aurinkolämmön tuotanto- hinta ja vertailla sitä vaihtoehtoisten energiamuotojen kokonaiskustannuksiin. Aurinko- lämmön kiinteä tuotantohinta voidaan laskea seuraavalla laskukaavalla:

Aurinkolämmön tuotantohinta €/MWh (4) [14.]

= elinkaarikustannus € / kokonaistuotto MWh

= (järjestelmäinvestointi €/keräin-m² + käyttö- ja huolto €/keräin-m²) / järjestelmän tuotto MWh/keräin-m²/v * pitoaika v

Aurinkolämpöjärjestelmän käyttöiäksi katsotaan yleensä noin 30 vuotta. Ylläpitokustan- nukset eli käyttö- ja huoltokustannukset ovat yleisesti pienet, noin 5–15 % alkuinvestoin- nista. Kokonaiskustannukset yleisesti laskevat suhteessa keräinneliöihin keräinneliöalan kasvaessa. Ylläpitokustannuksiin sisältyy järjestelmän tarkistus muutaman vuoden vä- lein, ohjausyksikön ja paisunta-astian vaihto yleisesti kerran 30 vuoden käyttöiän aikana, sekä lämmönsiirtonesteen vaihto kahdesti 30 vuoden aikana. Pumppu kestää yleensä koko järjestelmän käyttöiän ajan. Aurinkolämpöjärjestelmän käyttämä sähkö on margi- naalista, vain noin 0,01–0,03 snt/kWh, joten sitä ei tarvitse huomioida kustannuksia las- kettaessa. [14.]

Työ- ja elinkeinoministeriö TEM myöntää investointitukea yrityksille ja julkisille toimijoille uusiutuvan energian ja uuden energiateknologian hankintoihin. Kotitaloudet voivat hakea remonttikuluihin kotitalousvähennystä, joka kattaa osan asennustyön kustannuksista.

Esimerkiksi FinSolarin listaamasta kolmesta aurinkosähkö-esimerkkitapauksesta kotita- lousvähennykset kattoivat 14–18 % kokonaisinvestoinnista ja aurinkolämpöinvestoin- nista kotitalousvähennys kattoi 10 % kokonaiskustannuksista. [15.]

Tässä insinöörityössä järjestelmien kannattavuutta tarkastellaan investoinnin takaisin- maksuajalla sekä nykyarvomenetelmällä. Järjestelmän yksinkertaistettu takaisinmaksu- aika lasketaan seuraavalla kaavalla:

𝑇𝑀𝐴 =

𝑆 (5)

missä

H on investoinnin kokonaiskustannukset (€) S on vuosittainen tuotto (€)

Takaisinmaksuaika ei sovellu kovin hyvin aurinkojärjestelmien kannattavuuden tarkaste- luun, sillä se ei huomioi muun muassa järjestelmän 30 vuoden käyttöikää. Tässä insi- nöörityössä järjestelmien keskinäisessä vertailussa yksinkertaistettu koroton takaisin- maksuaika antaa kuitenkin suuntaa kannattavuudesta.

Kannattavuuslaskelma nykyarvomenetelmällä

Järjestelmän kannattavuutta tarkasteltaessa on investoinnin tulot ja menot muutettava nykyarvoon. Tämä tarkoittaa että tulevaisuudessa saatava tai maksettava rahamäärä diskontataan, eli rahavirta siirretään nykyrahaksi laskentakorkokantaa käyttäen. Tulevai- suudessa saatava raha on aina vähemmän arvokasta kuin nykyhetkellä. Tähän syynä on muun muassa inflaatio sekä välittömästi saatavan rahan sijoitusmahdollisuus.

Pitoaikana n kaikki tulevien vuosien tulot ja menot diskontataan nykyhetkeen. Summat voivat olla yhtä suuria tai erisuuruisia vuosittain, esimerkiksi huolto- ja korjauskustannuk- set yleensä kohoavat vuosien kuluessa. Tuotot vuosittain taas voivat heilahdella aurin- kolämmön tuottamasta lämpöenergian vuosittaisista eroista ja energian hinnan vaihte- luista johtuen. Summia mietittäessä eri vuosina, tulisi itse asettua kyseiseen tulevaisuu- den vuoteen ja miettiä senhetkisiä summia ja sitten diskontata ne tähän hetkeen. [16.]

Esimerkki - korjauskustannus 3. vuotena diskontattuna tähän hetkeen:

𝑘 =

(1+𝑖)³ (6)

missä

k on korjauskustannus diskontattuna tähän hetkeen = 86,38 € K on korjauskustannus 3. vuonna = 100 €

i on laskentakorko = 5 %

tulevaisuuden tarkkailuvuosi = 3 pitoaika n

Nykyarvomenetelmällä kaikki investoinnista saatavat tuotot ja kulut vuosittain pitoaikana diskontataan erikseen nykyhetkeen. Jos investointi (hankintameno) jakautuu useam- malle vuodelle, diskontataan sekin erikseen kyseisiltä vuosilta.

Lopuksi vuosittaisten kustannusten diskontatut summat lasketaan yhteen ja lisätään hankintamenoon. Sitten lasketaan yhteen diskontatut tuotot pitoaikana. Investointi on kannattava, jos diskontatut tuotot ovat suuremmat kuin diskontatut kulut ja hankintame- not. Tuotoiksi lasketaan myös jäännösarvo pitoajan n lopussa. Jäännösarvo saattaa usein olla pieni tai jopa negatiivinen (purkukustannusten ansiosta). Tämän insinöörityön kannattavuuslaskelmissa oletetaan, ettei investoinneilla ole jäännösarvoa.

Löytyy erilaisia laskentakaavoja, jotka saattavat olla hyvin helppokäyttöisiä, mutta ne on johdettu tasasuuruisille summille, ja silloin jään helposti miettimättä kustannusten ja tuot- tojen vuosittainen euromääräinen muuttuminen.

[16.]

4.2 Järjestelmän mitoitus

Järjestelmän oikea mitoitus on olennaista aurinkolämmön kannattavuuden kannalta. Oi- keanlaisella mitoituksella varmistetaan se, että mahdollisimman suuri osa tuotetusta lämmöstä saadaan hyödynnettyä eri käyttötarkoituksissa mahdollisimman tehokkaasti.

Varmin keino varmistua optimaalisesta mitoituksesta on hankkia järjestelmä asiantunte- valta taholta ja antaa mahdollisimman tarkat lähtötiedot järjestelmän suunnitteluun. Jär- jestelmän mitoitukseen vaikuttavat mm:

• kohteen kokonaisenergian tarve ja sen vaihtelut

• asukasmäärä

• tekniset tiedot asennuspaikasta

• kohteen nykyinen lämmitysjärjestelmä ja mahdollinen vesivaraaja.

Järjestelmän mitoitusta arvioidessa voidaan käyttää tiettyjä suuntaa antavia pikamitoi- tussääntöjä. Esimerkiksi jos järjestelmä hankitaan pelkästään käyttöveden lämmityk- seen, voidaan hyödyntää pikamitoitustaulukkoa (taulukko 2).

Taulukko 2. Käyttövesijärjestelmän pikamitoitus. [17.]

henkilö- määrä

1 2 3 4 5 6

m² keräin min

1,2 2,4 3,6 4,8 6 7,2

m² keräin max

2 4 6 8 10 12

l varaaja min

75 150 225 300 375 450

l varaaja max

100 200 300 400 500 600

Usein järjestelmä pyritään mitoittamaan siten, että noin puolet lämpimän käyttöveden tarvitsemasta energiamäärästä katetaan aurinkoenergialla.

Muita tyypillisiä keräinalan esimerkkimitoituksia:

• 4–8 keräinneliötä, pientalon käyttöveden lämmitys (keräinala noin 1,25 m²/henkilö).

• 8–12 keräinneliötä, pientalossa iso lämminvesivaraaja ja aurinkolämpöä käytetään myös tilojen lämmitykseen.

• Vähintään 20 keräinneliötä, asunto-osakeyhtiön järjestelmä.

Lämminvesivaraajan mitoituksessa huomioitavia asioita ovat muun muassa rakennuk- sen lämmöntarve, käytettävissä olevat tilat ja investoinnin suuruus. Varaajalle on usein käytettävissä hyvin rajallisesti tilaa, joten lämmönvaihtimien ja putkiyhteyksien sijainnit kannattaa suunnitella tarkkaan varaajan valinnan yhteydessä. Kuten luvussa 2.9 Läm- mön varastointi tuotiin ilmi, varaajan mitoituksen nyrkkisääntönä voidaan käyttää 50–100 l keräinneliötä kohti, eli vaikkapa 1,5 m² keräyspinta-alaa 100 l varaajatilavuutta kohti.

Tällöin nelihenkiselle taloudelle sopiva varaajatilavuus on noin 200–500 l riippuen ke- räinpinta-alasta.

[18.]

4.3 Järjestelmän asennus

Aurinkokeräinten asennuspaikka- ja tapa riippuu kohteesta. Näistä tyypillisimpiä ovat seuraavat:

• Tasakatto. Asennus keräintelineiden avulla, ilmansuunta ja kaltevuus- kulma vapaasti valittavissa.

• Harjakatto. Keräinten ilmansuunta ja myös kaltevuuskulma yleensä lap- peen mukainen.

• Rakenteet. Seinä- tai kattomateriaaleihin integroitavat keräimet. Myös irral- lisena seinälle asennettavia malleja on saatavilla.

• Maa-asennus. Asennetaan jalustalle, ilmansuunta ja kaltevuus vapaasti valittavissa. Varjostuksiin kiinnitettävä huomiota.

Ennen keräinten hankintaa on syytä tarkistaa kattomateriaalien ja rakenteiden kestävyys ja kunto. Samalla tarkistetaan, miten keräimet fyysisesti kiinnitetään talon rakenteisiin.

Useisiin asennusratkaisuihin on olemassa valmiita asennussarjoja, joilla varmistetaan katon tai seinän vedenpitävyys ja keräinten pysyminen paikallaan. Tällöin myös asen- nustyö tulee helpoksi ja nopeaksi. Jos keräimet asennetaan eri kaltevuudelle kuin seinä tai katon lappeet, käytetään erilaisia jalustoja ja kiinnikkeitä. Keräinten asennuksessa tulisi pyrkiä asentamaan ne yhtenäiseksi kentäksi, jolloin keräimet ovat samoissa olo- suhteissa, järjestelmän ohjaaminen on yksinkertaisempaa ja lisäksi kokonaisuus on es- teettisempi. [19.]

Kaikki keräinten ulkopuoliset putkiasennukset aiheuttavat lämpöhäviöitä, joten ne tulee eristää. Putkilinjat on myös hyvä pitää mahdollisimman lyhyinä, jotta lämpöhäviöt jäävät pienemmiksi. Tämän vuoksi keräinten ja varaajan etäisyys olisi syytä saada mahdolli- simman pieneksi. Pidemmät putkilinjat myös nostavat hankintakustannuksia.

Mekaaniset asennustyöt voidaan tehdä itse, mutta ammattilaisen käyttö on suositelta- vaa, varsinkin jos keräimet asennetaan jyrkälle katolle. Järjestelmän asennukseen liitty- vät sähkötyöt saa tehdä vain yritys, jolla on sähköasennusoikeudet, ellei pumppuyksikkö ole varustettu pistotulppaliitännällä.

Varaajan asennuksessa on selvitettävä varaajan ulkomitat huolellisesti. Yli 500-litraiset varaajat voivat olla ulkomitoiltaan liian suuria joillekin oviaukoille. Joillakin valmistajilla varaajan tietyt ulko-osat, kuten eristelohkot kuorineen ovat tarvittaessa kiinnitettävissä

vasta asennuspaikalla mahdollistaen helpomman kuljetuksen. Asennuspaikalla voidaan joutua myös huomioimaan varaajan pystyynkääntämiseen tarvittava tila, jos varaaja jou- dutaan kuljettamaan kallistettuna. [19.]

Asennuskustannukset vaihtelevat muun muassa sen perusteella, tarvitaanko keräinten asentamiseen nosturia, joka voi nosturityypistä riippuen nostaa investoinnin hintaa 100- 200 € päivältä. Tyypillinen asennusaika on yleensä 2-4 työpäivää. [19; 22.]

5 Järjestelmän kannattavuus esimerkkikohteessa

5.1 Esimerkkikohde

Esimerkkirakennuksena, johon järjestelmä hankitaan, käytettiin Jyväskylässä sijaitsevaa kaukolämmön piirissä olevaa omakotitaloa. Rakennuksen perustiedot ovat seuraavat:

• rakennusvuosi 1956

• kokonaisala 216 m²

• asuinpinta-ala 129 m²

• 4 asukasta (2 aikuista ja 2 lasta)

• 2 kerrosta + kellari.

Rakennuksen sijainti on siinä mielessä hyvä, että rakennus on rinteen yläosassa, jolloin korkeat puut eivät juurikaan varjosta kattoa. Lähellä ei myöskään ole muita korkeita ra- kennuksia. Ongelmana tosin on, että rakennuksen harjakaton lappeet ovat lähes tarkal- leen itä-länsisuuntaiset optimaalisen pohjois-eteläsuunnan sijaan (kuva 10). Tämä tar- koittaa sitä, että jos keräimet halutaan asentaa optimisuuntaisesti etelään, tämä ei ole mahdollista ilman keräintelineitä ja niiden tukirakenteita. Katon pinta-alan tehokas hyö- dyntäminen on tällöin myös vaikeampaa, eikä keräimistä välttämättä saada muodostet- tua yhtenäistä kenttää. Tosin jos halutaan tehostaa auringon säteilyä aamuisin/iltaisin, keräimet voitaisiin suunnata itään/länteen, mutta Suomen leveyspiireillä tämä ei ole ko- vinkaan kannattavaa. Tällöin keräinpinta-alan tulisi olla noin 30–50 % laajempi, mikä nostaa investoinnin hintaa. Vaihtoehtoisesti keräimet voitaisiin asentaa katon molem- mille lappeille, jolloin auringon säteilyä voitaisiin hyödyntää tehokkaasti aamusta iltaan, tai eteläiselle julkisivulle, jolloin kallistuskulman on tosin oltava hyvin korkea.

Esimerkkitapauksessa hankittava aurinkolämpöjärjestelmä liitetään kaukolämpöjärjes- telmään siten, että ainoastaan lämmin käyttövesi lämmitetään osittain aurinkoenergialla.

Tällöin on hankittava erillinen aurinkolämpövaraaja, joka kytketään lämmönjakokeskuk- seen. Lisäksi tehdään kannattavuuslaskelmat sellaiselle vaihtoehdolle, että rakennus hyödyntäisi kaukolämmön sijaan vesikiertoista sähkölämmitystä. Tämä olisi aurinkoläm- mön hyödyntämisen kannalta erinomainen lämmitysratkaisu, muun muassa jo valmiiksi olemassa olevan vesivaraajan takia. Tällöin aurinkokeräinten tuottamaa energiaa voi- daan hyödyntää osittain myös tilojen lämmityksessä. Sähkön hinta on myös kaukoläm- pöä korkeampaa, joten sähkölämmityksen tapauksessa vuosittainen säästö on kauko- lämpöä suurempi. Asioiden yksinkertaistamiseksi oletetaan varaajan sisältävän jo en- nestään paikan aurinkokierukalle, jotta olemassa olevaa varaajaa voidaan käyttää.

Kuva 10. Esimerkkikohteen katon länsipuoli.

5.2 Lämpöenergian kulutus

Esimerkkinä oleva asuinrakennus kuuluu Jyväskylän Energian kaukolämpöverkkoon, ja sen kaukolämpöenergian kuukausittainen kulutus vuosilta 2016–2018 on esitetty kuvan 11 kaaviossa:

Kuva 11. Kaukolämpöenergian kulutus (MWh) vuosina 2016 ja 2017. Sisältää myös kuluvan vuo- den 2018 tammi- ja helmikuun tiedot.

Tästä voimme havaita kulutuksen heittelevän kesäkuukausia lukuun ottamatta kohtalai- sen paljon. Kesällä energiaa menee lähinnä käyttöveden lämmitykseen, joten säällä ja ympäristön lämpötilalla ei ole kulutukseen juurikaan vaikutusta. Tämän perusteella saa- daan riittävän hyvin todellisuutta vastaavat tulokset, kun kannattavuuslaskelmien esi- merkkijärjestelmien valinnassa käyttöveden lämmitykseen vaadittuna kuukausittaisena energiamääränä käytetään arvoa 0,5 MWh. Kuvan 12 kaaviossa on esitetty kaukoläm- pöenergian kokonaiskulutus vuodesta 2013 eteenpäin:

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

MWh

kuukausi

Lämpöenergian kulutus

2016 2017 2018

Kuva 12. Kaukolämpöenergian kulutus vuosilta 2013 – 2017.

Kuviosta nähdään kulutuksen hieman nousseen, ja tämän perusteella kannattavuuslas- kelmissa järjestelmän valinnassa vuosittaisena lämpöenergian tarpeena voidaan käyttää arvoa 24 MWh.

5.3 Auringon säteilytasot

Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) on ilmainen työkalu muun mu- assa aurinkopaneelien tuottaman sähkötehon laskemiseen ja auringon säteilykarttojen esittämiseen. Kuvien 13 ja 14 kaavioissa on esitettynä vuosittainen keskimääräinen au- ringon säteilyenergia vuorokaudessa, sekä päivittäinen kesäkuun säteilytehon vaihtelu esimerkkikohteessa.

20,86 21,74

20,72

24,49 24,1

0 5 10 15 20 25 30

2013 2014 2015 2016 2017

kulutus (MHw)

vuosi

Lämpöenergian vuosikulutus

Kuva 13. Auringon päivittäinen säteilyenergia esimerkkikohteen sijainnissa sekä horisontaaliselle

että optimaaliselle kaltevuuskulmalle.[20.]

Kuva 14. Auringon säteilytehon vaihtelu horisontaaliselle pinnalle esimerkkikohteen sijainnissa kesäkuussa. Vihreä käyrä on hajasäteilyn osuus ja punainen käyrä täysin kirkkaan tai- vaan säteily. Sininen käyrä vastaa todellista säteilyä.[20.]