Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa

(1)

Kandidaatintyö 25.11.2015 LUT School of Energy Systems

Sähkötekniikka

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa

Ground-source heat pump and PV solar system for hot water production

Niko Vesalainen

(2)

TIIVISTELMÄ

Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka

Niko Vesalainen

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa

2015

Kandidaatintyö 28 + 7 sivua

Tarkastaja: TkT Tero Ahonen

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteis- käyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Tarkoituksena on tuottaa päivittäin tarvittava lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, jonka tarvitsema sähkö tuotetaan aurin- kosähköjärjestelmän avulla keskimäärin kello 12–15.

Aurinkosähköjärjestelmän tuotto simuloidaan kuvitteelliselle Lappeenrannassa sijaitsevalle omakotitalolle Homer-ohjelmistolla. Maalämpöpumpun koko pidetään vakiona ja vertai- lussa on 4, 5 ja 6 kW:n kokoiset aurinkosähköjärjestelmät.

Yli 5 kW:n aurinkosähköjärjestelmällä saadaan katettua talon peruskuorman lisäksi, myös maalämpöpumpun tarvitsema teho kyseisenä ajanjaksona. 4 kW:n aurinkosähköjärjestel- mällä ja maalämpöpumpulla saadaan tuotettua päivässä riittävästi energiaa neljän henkilön tarvitsemaan käyttöveteen, mutta tällöin maalämpöpumppua täytyy käyttää pidempi ajan- jakso, jos lämmitykseen halutaan käyttää vain tuotettua aurinkosähköä.

(3)

ABSTRACT

Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems

Electrical Engineering Niko Vesalainen

Ground-source heat pump and PV solar system for hot water production

2015

Bachelor’s Thesis.

28 + 7 pages

Examiner: D.Sc. Tero Ahonen

In this bachelor’s thesis the use of ground-source heat pump and PV solar system in the production of hot water is examined. The ground-source heat pump produces daily hot water with power produced by the PV system between 12 p.m. and 3 p.m.

Production of the PV system is simulated using Homer software. The house is imaginary and it is located in Lappeenranta. The size of the ground-source heat pump is constant and the size of the PV system changes. PV systems between 4, 5 and 6 kW are compared.

The 5 kW or bigger PV system produces enough power for the house’s basic load and ground-source heat pump. 4 kW PV system produces enough energy to make daily hot water for 4 person, but not enough power is made. To produce enough energy the heatpump needs to be used more than for 3 hours.

(4)

SISÄLLYSLUETTELO

Käytetyt merkinnät ja lyhenteet

1. Johdanto ... 6

2. Pientalon energian tarve ... 7

2.1 Lämmitykseen tarvittava energia... 7

2.2 Lämpimän käyttöveden tarvitsema energia ... 8

3. Maalämpöpumppu ... 11

3.1 Maalämpöpumppujärjestelmän osat ja toiminta ... 11

3.2 Maalämpöpumpun mitoitus ... 12

3.3 Tarvittavat luvat ... 13

4. Aurinkosähköjärjestelmä ... 14

4.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne ... 14

4.2 Aurinkosähköjärjestelmät ... 14

4.3 Olosuhteet aurinkosähkön tuotannolle Suomessa ... 15

5. Esimerkkikohde ... 17

5.1 Esimerkkitalon energiankulutus ... 17

5.2 Maalämpöpumppu ... 18

5.3 Aurinkosähköjärjestelmä ... 19

6. Tulokset ... 20

6.1 4 kW:n järjestelmä ... 21

7. Yhteenveto ... 25

Lähteet ... 26 Liitteet

LIITE 1. 1 kW:n aurinkosähköjärjestelmän simuloitu tuotto tunneittain

LIITE 2. Aurinkosähköjärjestelmien simuloidut tuotantolukemat, sekä verkosta otet- tavan tehon tarve.

(5)

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET

a vuosi

c ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]

D halkaisija [m]

L pituus [m]

Q lämpöenergia [kWh]

T lämpötila [°C]

V Tilavuus [m³]

Kreikkalaiset symbolit

Δ Muutos

ρ tiheys [kg/m³]

η hyötysuhde

Φ lämpöteho [W/m]

Lyhenteet

COP lämpöpumpun hyötysuhde (eng. coefficient of performance) ELY-keskus elinkeino, liikenne- ja ympäristökeskus

lkv lämmin käyttövesi omin ominais-

snt eurosentti

SPF lämpöpumpun kausihyötysuhde (eng. seasonal power factor)

(6)

1. JOHDANTO

Nykyisin suosituin uusien pientalojen päälämmitysjärjestelmä on maalämpöpumppu.

Vuonna 2014 jo yli 50 % uusista pientaloista varustettiin maalämpöpumpulla. Osuus on ollut jatkuvassa kasvussa, sillä vuonna 2006 maalämpöpumppujen osuus oli hieman alle 30 %:a.

Etenkin öljylämmitteisten talojen suosio on laskenut öljyn hinnan kallistuessa. Maalämpö- pumppujen suosion kasvuun on vaikuttanut maalämpöpumppujen tekniikan kehittyminen ja maalämpöpumpun mahdollistama lämmityskustannusten aleneminen. (Motiva, 2015) Myös aurinkosähköjärjestelmien suosio on kasvanut viime vuosina voimakkaasti. Etenkin Kiinassa asennetun aurinkopaneelikapasiteetin kasvu on ollut voimakasta. Euroopassa Saksa on ollut edelläkävijä aurinkosähkön tuotannossa. Aurinkopaneelien suosion kasvun syynä on aurinkopaneelien hintojen voimakas aleneminen. (Huoman, et al., 2014)

Tässä työssä tarkastellaan maalämpöpumpun sekä aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Kuvassa 1.1 on periaatekuva järjestelmästä, missä rakennuksen lämmitysjärjestelmänä ja lämpimän käyttöveden tuottajana toimii maa- lämpöpumppu. Lisäksi rakennukseen on asennettu aurinkosähköjärjestelmä, jolla tuotetaan sähköä. Aurinkosähköjärjestelmä on kytketty osaksi rakennuksen sähköjärjestelmää ja sen kautta osaksi sähköverkkoa. Maalämpöpumpun ohjauksen avulla pyritään käyttämään tuotettu aurinkosähkö lämpimän käyttöveden tuottamiseen, jolloin tuotetun sähkön myynti yleiseen sähköverkkoon saadaan minimoitua. Työssä lasketaan tuotantopotentiaali kolmelle eri- kokoiselle aurinkosähköjärjestelmälle, kun maalämpöpumpun teho pidetään vakiona.

Kuva 1.1 Periaate maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäytöstä lämpimän käyttöve- den teossa.

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttöä on tutkittu Jaakko Saarelan opinnäytetyössä, (Saarela, 2012), missä vertailtiin valmiina olevaan rakennukseen asennet- tavia aurinkoenergiaratkaisuja. Myös aurinkokeräinten ja maalämpöpumpun yhteiskäyttöä on tutkittu (Kotavuopio, 2011). Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää aurinkosäh- köjärjestelmän ja maalämpöpumpun yhteiskäytön mahdollisuutta pientalon lämpimän käyt- töveden tuotannossa.

(7)

2. PIENTALON ENERGIAN TARVE

Pientaloissa energiaa kuluttavat lämmitys ja mahdollinen kesäaikainen viilennys, ilmanvaihto, käyttövesi, valaistus ja erilaiset kuluttajalaitteet. Suomen kylmissä oloissa lämmitys muodostaa merkittävän osan energiankäytöstä, mutta sen tarve vaihtelee voimakkaasti pitkin vuotta, kuten myös valaistuksen tarve. Käyttöveden ja kuluttajalaitteiden energiankulutus puolestaan on suhteellisen vakio läpi vuoden. Päiväkohtaisesti suurin kulutus energiassa on aamuisin ja iltaisin, koska päiväaikaan ollaan tyypillisesti poissa kotoa ja laitteet ovat pois päältä. (Adato energia, 2013).

2.1 Lämmitykseen tarvittava energia

Kaikesta Suomessa kulutetusta energiasta neljännes kuluu rakennusten lämmitykseen. Läm- mittämisessä käytetään eniten kaukolämpöä, jolla katetaan noin kolmannes tarvittavasta lämmitysenergiasta. Seuraavaksi suosituimmat lämmitysmuodot ovat puu ja sähkö, joiden molempien osuus on neljännes kulutetusta lämmitysenergiasta. Sähkölämmityksen osuuteen kuuluu myös lämpöpumppujen käyttämä energia. Loppu lämmitysenergia tuotetaan kevyen- ja raskaan polttoöljyn, maakaasun, turpeen ja hiilen avulla. (Tilastokeskus, 2013)

Lämmitysjärjestelmän täytyy kyetä tuottamaan rakennuksen tarvitsema lämpöteho mitoitta- vassa ulkolämpötilassa. Suomi on jaettu neljään säävyöhykkeeseen, joiden mitoittavat läm- pötehot järjestyksessä I-IV ovat –26 °C, –29 °C, –32 °C ja –38 °C. Kuvassa 2.1 on esitetty Suomen jakautuminen säävyöhykkeisiin.

Kuva 2.1 Suomen säävyöhykkeet (Ilmatieteenlaitos, 2012).

Lämmitysjärjestelmän täytyisi kyetä pitämään rakennuksen sisälämpötila mahdollisimman tasaisena, sillä vaihteleva sisälämpötila haittaa asumismukavuutta. Lisäksi eri huoneiden vä- lillä on yleensä eroja lämpötiloissa. Suositeltava lämpötila oleskelutiloihin on 20–22 °C ja makuuhuoneisiin sopiva lämpötila on 18–20 °C.

Nykyisten määräysten mukaisesti rakennettu pientalo kuluttaa vuodessa lämmitysenergiaa tilojen ja tuloilman lämmitykseen keskimäärin 100–120 kWh/m², joka on vajaa puolet talon tarvitsemasta kokonaisenergiasta. Vielä 2000-luvun alussa rakennusmääräysten mukaisesti rakennettu talo tarvitsi vuodessa lämmitysenergiaa 100–160 kWh/m². Passiivitalossa läm- mitysenergian osuus on huomattavasti pienempi. Jotta rakennus olisi passiivitalo, on sen

(8)

vuotuinen lämmitysenergia oltava alle 25 kWh/m². Matalaenergiatalon lämmitysenergian- kulutus on puolestaan noin puolet tavallisen pientalon lämmitysenergiankulutuksesta eli 50 kWh/m². (Nieminen & Lylykangas, 2009), (Motiva, 2009).

2.2 Lämpimän käyttöveden tarvitsema energia

Suomalainen kuluttaa vuorokaudessa keskimäärin 155 litraa vettä, mutta vaihtelu on suurta riippuen kulutustottumuksista. Veden kokonaiskulutuksesta noin kolmannes on lämmintä käyttövettä. Tämän vesimäärän lämmittäminen vaatii vuodessa energiaa 800–1200 kWh:a.

Lämpimän käyttöveden tuottamiseen kuluu noin viidennes kotitalouden kokonaisenergiasta.

Tämä osuus tulee kasvamaan tulevaisuudessa, koska rakennusten lämmitysenergian tarve todennäköisesti pienenee eristysten parantuessa. Kuvassa 2.2 on esitetty, kuinka yhden hen- kilön vuorokaudessa kuluttama vesi jakautuu eri käyttökohteiden kesken. (Motiva, 2014a)

Kuva 2.2 Yhden henkilön vuorokaudessa kuluttaman veden jakautuminen eri käyttökohteisiin.

Mikäli pientalon lämpimän käyttöveden kulutusta ei tiedetä, mitoitetaan kulutus yleensä henkilömäärän mukaan. Tämä on asuinrakennuksissa yleinen tapa ja muuhun käyttöön tar- koitetuissa rakennuksissa lämpimän veden tarve mitoitetaan pinta-alan mukaan. Huoneisto- kohtaisella vesimittarilla varustetussa asunnossa laskennassa käytetään vuorokausikulutuk- sena 50 litraa henkilöä kohden ja muussa tapauksessa vuorokausikulutuksen oletetaan olevan 60 litraa henkilöä kohden. (Ympäristöministeriö, 2013)

Peseytyminen, 60 litraa 39 %

Keittiö, 35 litraa 22 % Pyykki, 20 litraa

13 % WC, 40 litraa

26 %

(9)

Veden lämmittämiseen tarvittava nettoenergia Qlkv,netto saadaan

3600

lkvΔ

v netto v

lkv,

T V ρ c

Q  _(2.1.)

missä

ρ = veden tiheys, kg/m³

cv = veden ominaislämpökapasiteetti, KJ/(kg K) Vlkv = lämpimän käyttöveden kulutus, m³

ΔT = kylmän ja lämpöisen käyttöveden erotus, ^oC

3600 = kerroin, jolla muutetaan kilojoulet kilowattitunneiksi

Lisäksi huomioon tulee ottaa lämpimän käyttöveden siirrosta, varastoinnista ja kierrosta syn- tyvät häviöt. Varastoinnissa tapahtuva vuotuinen lämpöhäviö Qlkv,varastointi on riippuvainen varaajan koosta ja eristystasosta. Taulukossa 2.1 on esitetty lämminvesivaraajassa syntyvät häviöt vuositasolla. Taulukosta nähdään, että varaajan tilavuuden kasvaessa suhteellinen hä- viöenergian määrä pienenee.

Taulukko 2.1 Lämminvesivaraajan tilavuudesta riippuva vuosittainen lämpöhäviö kahdella eri eristyspak- suudella.

Varaajan tilavuus, l

Varaajan lämpöhäviö, Qlkv,varastointi kWh/a

40 mm eriste 100 mm eriste

50 440 220

100 640 320

150 830 420

200 1000 500

300 1300 650

500 1700 850

1000 2100 1100

2000 3000 1500

3000 4000 2000

Mikäli pientalossa on kiertojohto, täytyy myös tästä aiheutuvat häviöt ottaa huomioon ener- giantarvetta laskettaessa. Kiertojohto on pientaloissa harvinainen, mutta sitä käytetään pien- taloja suuremmissa rakennuksissa, kuten kerrostaloissa. Kiertojohdossa kierrätetään pumpulla lämmintä käyttövettä, jolloin lämmintä vettä on saatavilla jokaisessa kulutuspisteessä.

Ilman kiertojohtoa suurissa rakennuksissa voi lämpöisen veden saaminen kestää, koska ilman kiertoa vesi jäähtyy seisoessaan putkistossa. Jatkuvasta veden kierrosta putkistossa on kuitenkin seurauksena lämpöhäviö Qlkv, kierto ja sen vuotuinen suuruus saadaan laskettua

76 ,

lkv8

omin kierto, lkv, kierto

lkv, L

Q 



(2.2)

missä

Φlkv,kierto,omin = lkv:n kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho, W/m Llkv= Kiertojohdon pituus, m

(10)

Kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho riippuu eristystasosta. Taulukossa 2.2 on esitetty eri paksuisella eristeellä eristetyn kiertojohdon ominaislämpöteho kiertojohdon pituutta kohden. Kiertojohdossa aiheutuva kokonaislämpöhäviöteho saadaan kertomalla ominaislämpö- teho kiertojohdon pituudella. Mikäli kiertojohdon pituutta ei tiedetä, käytetään pientaloissa ja asuinkerrostaloissa kiertojohdon ominaispituutena 0,043 m/m². (Ympäristöministeriö, 2013), (Motiva, 2009)

Taulukko 2.2 Lämpimän käyttöveden kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho erilaisilla eristystasoilla.

Merkintä D tarkoitta kiertojohdon halkaisija. (Ympäristöministeriö, 2013)

Eristystaso Kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho 𝛷lkv,kierto,omin W/m

ei tiedossa 40

0,5 D 10

1,5 D 6

suojaputki 15

suojaputki + 0,5 D 8

Suojaputki + 1,5 D 5

Lisäksi lämpimän käyttöveden siirrosta aiheutuu jakoputkistossa häviöitä. Jos kiertojohto on käytössä, on tällöin siirron vuosihyötysuhde 0,96. Ilman kiertojohtoa varustetuissa rakennuksissa siirron vuosihyötysuhteena ηlkv,siirto eristämättömillä putkilla käytetään arvoa 0,75.

Mikäli jakoputket on eristetty vähintään 1,5 kertaa putken paksuisella eristeellä, on vuosi- hyötysuhde 0,92. (Ympäristöministeriö, 2013)

Laskemalla kaikki häviöt yhteen saadaan lämpimän käyttöveden lämmittämiseen tarvittava kokonaisenergia

kierto lkv, i

varastoint lkv,

siirto lkv,

netto lkv, lkv

lämmitys, Q Q Q

Q   

 (2.3)

(11)

3. MAALÄMPÖPUMPPU

Auringon paistaessa osa säteilyenergiasta varastoituu maahan ja vesistöihin. Suomessa maan pinnan keskilämpötila on keskimäärin kaksi astetta ilman keskilämpötilaa korkeampi. 15 metrin syvyydessä lämpötila on kuitenkin läpi vuoden noin viisi astetta. Tämä geoterminen lämpö on peräisin Maan kuoressa tapahtuvista radioaktiivisista hajoamisista. Hajoamisten seurauksena syntyvä lämpö johtuu lähemmäs maan pintaa ja tähän johtumiseen vaikuttavat eniten kallioperän lämmönjohtokyky sekä kalliossa olevan veden liike. Maan pinnalta sy- vemmälle mentäessä lämpötila kasvaa 0,5–1 astetta / 100 m. Tätä maahan varastoitunutta energiaa voidaan hyödyntää rakennusten ja tarvittavan veden lämmityksessä maalämpöjär- jestelmän avulla. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

3.1 Maalämpöpumppujärjestelmän osat ja toiminta

Maalämpöjärjestelmään kuuluu pumppu, keruuputkisto ja siirtoputkisto. Keruuputkistossa kiertävään nesteeseen sitoutuu lämpöä, joka siirretään siirtoputkiston avulla pumpulle. Säh- kötoiminen pumppu siirtää keruunesteessä olevan lämmön rakennuksen lämmitysjärjestel- mään.

Jos putkiston asennukseen käytettävä maapinta-ala on riittävän suuri, voidaan keruuputkisto asentaa pintamaahan noin metrin syvyyteen. Tällöin vierekkäisillä putkilla täytyy olla väliä vähintään 1,5 metriä, mutta mieluusti enemmän. Vaakatasoon asennettu keruuputkisto käyt- tää hyväkseen Auringon säteilystä tullutta ja maahan varastoitunutta lämpöä. Noin 30 % maalämpöä käyttävistä kohteista käyttää vaakaputkistoa ja yleensä se on pientalolle edullisin maalämpövaihtoehto (Motiva, 2013).

Keruuputkisto voidaan sijoittaa myös kallioon porattuun lämpökaivoon, jolloin maapinta- alaa ei tarvita yhtä paljoa kuin vaakaputkistolla. Kaivon halkaisija on 105–165 mm ja syvyys tyypillisesti 100–300 metriä. Yleensä lämpökaivo porataan kohtisuoraan, mutta myös vino- poraus on mahdollinen. Tämä asennus käyttää hyväkseen geotermistä lämpöä. Suomessa suosituin asennusvaihtoehto on lämpökaivo, vaikka se onkin yleensä keruupiirinä kallein vaihtoehto. Yli 60 % maalämpökohteista on Suomessa varustettu lämpökaivolla. (Motiva, 2013)

Keruuputkisto voidaan sijoittaa myös vesistön pohjaan. Vedestä on mahdollista saada maata suurempia energiamääriä veden paremman lämmönvarauskyvyn takia. Vesistöasennuksessa täytyy kuitenkin huolehtia, ettei putkien ympärillä oleva vesi pääse jäätymään talvellakaan.

Tästä johtuen asennus tehdään yleensä yli kahden metrin syvyyteen. Pientaloille vesistö- asennus on yleensä hieman lämpökaivoasennusta halvempi, mutta tarkempi soveltuvuus ja kannattavuus täytyy aina selvittää tapauskohtaisesti. (Motiva, 2013)

Ohuesta muovista valmistetussa keruuputkistossa kiertää jäätymätöntä nestettä, johon maassa oleva lämpö siirtyy. Kiertojärjestelmä on suljettu ja kiertopumppu kierrättää läm- mönkeruunestettä. Lämmönkeruunesteeltä vaadittavia ominaisuuksia ovat mm. alhainen jäätymispiste ja viskositeetti, hyvä lämmönjohtavuus, korkea ominaislämpökapasiteetti, sta- biilius. Lisäksi keruuneste ei saisi aiheuttaa korroosiota putkistossa. Lämmönkeruunesteenä käytetään yleisimmin veden ja etanolin sekoitusta, jonka vahvuus on 28 % ja jäätymispiste –17 °C:tta. Aikaisemmin veden seosaineena on käytetty myös etyleeni- ja propyleeniglyko- lia, metanolia, betaiinia ja kaliumformiaattia. Näistä metanoli ja etyleeniglykoli ovat tervey- delle haitallisia, joten niiden käytöstä on luovuttu. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

(12)

Varsinainen maalämpöpumppu sisältää kompressorin ja lämmönsiirtimiä. Kuvassa 3.1 on esitetty maalämpöpumpun toimintaperiaate ja tärkeimmät osat.

.

Kuva 3.1 Maalämpöpumpun toimintaperiaate ja tärkeimmät osat.

Maan alla kiertänyt ja lämmennyt neste tulee höyrystimeen, missä sen sisältämä lämpö siirtyy pumpussa kiertävään kylmäaineeseen. Lämmön vaikutuksesta nestemäinen kylmäaine höyrystyy. Pumpun kompressori nostaa höyryn painetta ja samalla höyryn lämpötila nousee entisestään. Kompressorissa lämmennyt höyry siirtyy lauhduttimeen, missä sen sisältämä lämpö siirtyy lämmitysjärjestelmään. Kylmäaine muuttuu takaisin nestemäiseen muotoon ja palaa paisuntaventtiilin kautta höyrystimeen, jolloin kierto alkaa alusta. (Juvonen &

Lapinlampi, 2013)

3.2 Maalämpöpumpun mitoitus

Maalämpöpumpun mitoitukseen vaikuttaa rakennuksessa tarvittava energiamäärä. Maaläm- pöpumppu voidaan mitoittaa joko osa- tai täystehoiseksi. Osatehoinen maalämpöpumppu- järjestelmä tuottaa vain osan rakennuksessa tarvittavasta maksimi lämmitystehosta. Ainoas- taan kovimmilla pakkasilla tarvitaan lisää lämmitystehoa. Koska näitä kovia pakkasia on vuodessa vain vähän, kattaa osateholle mitoitettu maalämpöpumppu lähes kokonaan rakennuksessa tarvittavan lämmitystehon. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

(13)

Täystehoiseksi mitoitettu järjestelmä puolestaan tuottaa kaiken rakennuksessa tarvittavan lämmitysenergian pumpun avulla, eli se on mitoitettu vastaamaan mitoittavalla ulkolämpö- tilalla talossa tapahtuvaa lämpöhäviötä. Yleensä mitoitus pientaloon tehdään maalämpö- pumppuvalmistajien tekemien laskentaohjelmien avulla. (Juvonen & Lapinlampi, 2013) Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan COP-arvon (eng. coefficient of performance) avulla, joka saadaan

kulutettu tuotettu

Q

COP Q (3.1)

missä

Qtuotettu = lämpöpumpulla tuotettu energia Qkulutettu = lämpöpumpun kuluttama energia

COP-arvo ei kuitenkaan kerro suoraan lämpöpumpun hyvyyttä, koska se vaihtelee sen mukaan, mistä ja mihin lämpötilaan tarvittava neste lämmitetään. Suurin COP-arvo lämpöpum- pulle saadaan, kun lämmitettävän veden lämpötila on mahdollisimman lähellä keruunesteen lämpötilaa. Tämän takia lämpöpumppu soveltuu parhaiten etenkin lattialämmityskohteisiin, joissa lämpimän menoveden lämpötila on alhaisempi kuin patterikiertoisessa. Mitä suurem- maksi lämpötilaero kasvaa, sen matalammaksi COP-arvo laskee. Erityisesti ilmalämpöpum- puilla COP-arvon vaihtelu on suurta ilman lämpötilan vaihdellessa hyvinkin voimakkaasti.

Maalämpöpumpuilla COP-arvo pysyy lähes vakiona koko vuoden. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

Aikaisemmin lämpöpumppujen COP-arvo mitattiin EN 255 standardin mukaisesti. Kysei- sessä mittauksessa lämpimän veden lämpötila on 35 °C:ta ja paluunesteen lämpötila 0 °C:ta.

Lisäksi mittauksessa ei oteta huomioon käytössä olevien kiertopumppujen kuluttamaa säh- köenergiaa, mikä laskisi hyötysuhdetta. Nykyisin on käytössä standardi EN 14511, jossa lämpötilat ovat samat kuin EN 255 standardissa, mutta mukaan on huomioitu kiertopumppujen käyttämä energia. (SULPU, 2012)

COP-arvon ohella lämpöpumpuista käytetään SPF-arvoa (seasonal performance factor).

Tämä kertoo lämpöpumpun kokonaishyötysuhteen tiettynä ajanjaksona. Yleensä ajanjaksona käytetään maalämpöpumppujen osalta koko vuotta, jolloin pumpun toimiminen eri hyötysuhteella erilaisissa olosuhteissa tulee huomioitua. SPF lasketaan jakamalla pumpun tuottama energia pumpun kuluttamalla energialla. Kulutuksessa on huomioitu myös kiertopumppujen kuluttama energia. Yleisin ilmoitettava SPF-arvo on mitattu, kun tuotetun veden lämpötila on +35 °C, sillä tämä arvo on suurin ja siten pumpulla on paras hyötysuhde.

(Eskola, et al., 2012) 3.3 Tarvittavat luvat

Maalämpöjärjestelmään kuuluvan lämpökaivon poraamiseen ja vaakaputkiston rakentami- seen on tarvittu maankäyttö- ja rakennuslain mukainen toimenpidelupa 1.5.2011 lähtien (Maankäyttö- ja rakennuslaki, §126 a). Lisäksi lämpökaivon poraamiseen tarvitaan mahdol- lisesti vesilain mukainen lupa. Tämä lupa tarvitaan yleensä, jos lämpökaivo sijaitsee pohja- vesialueella. Maankäyttö- ja rakennuslain vaatima lupa haetaan kunnan rakennusvalvonta- viranomaiselta ja vesilain mukainen lupa aluehallintovirastolta/ELY-keskukselta. Uudisra- kennuksessa maalämpöjärjestelmään tarvittava lupa sisältyy rakennuslupaan. (Juvonen &

Lapinlampi, 2013)

(14)

4. AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄ

Lähes kaikki ihmisten käyttämä energia on joko suoraan tai epäsuorasti peräisin Auringosta.

Auringon energiaa varastoituu yhteyttämisessä eliöihin ja näistä muodostuu ajan saatossa hiiltä, öljyä ja kaasua. Aurinkoenergiaa voidaan käyttää suoraan joko keräämällä säteilystä saatava lämpö aurinkokeräimillä tai varastoimalla sitä esimerkiksi seiniin tai muuttamalla säteily sähköksi aurinkopaneelien avulla.

4.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne

Aurinkopaneelin kyky tuottaa sähkö perustuu valosähköiseen ilmiöön. Paneeli koostuu kah- desta puolijohdelevystä, joista toinen on negatiivisesti ja toinen positiivisesti varautunut. Le- vyjen päämateriaalina on pii, johon on sekoitettu joko negatiivisesti tai positiivisesti varau- tunutta ainetta. Fotonin osuessa levyyn, se luovuttaa osan energiastaan aineen elektroneille, jolloin elektroni irtoaa atomista. Tämä on mahdollista vain, jos fotonilla on riittävän suuri, taajuudesta riippuva energia. Kun negatiivisesti varautuneet elektronit alkavat liikkua kohti positiivista levyä, syntyy levyjen välille jännite. Kun levyt yhdistetään toisiinsa johtimella, saadaan aikaiseksi virtapiiri, jossa varaukset kulkevat ja tämä havaitaan tasasähkönä.

(Aarnio, ei pvm)

Yleisimmin aurinkopaneelit valmistetaan joko yksi- tai monikiteisestä piistä. Yksikiteisestä piistä valmistettu paneeli on vaikeampi valmistaa ja täten kalliimpi kuin monikiteinen. Yk- sikiteisestä piistä valmistetun paneelin etuna monikiteiseen verrattuna on kuitenkin parempi hyötysuhde. Yksikiteisen paneelin hyötysuhde on jopa 25 %:a ja monikiteisen noin 20 %:a.

(Aarnio, ei pvm)

Lisäksi on myös ohutkalvo- ja nanotekniikkaan perustuvia aurinkokennoja. Ohutkalvotek- niikkaan perustuvissa paneeleissa valoa sähköksi muuttava osa on 100–1000 kertaa ohuempi, kuin piistä valmistetuissa paneeleissa. Tästä seuraa luonnollisesti raaka-aineen ja energian säästöä. Lisäksi ohutkalvokennoja on helpompi valmistaa suurillekin pinta-aloille.

Tärkeimmät yhdisteet ohutkalvokennoissa ovat kadmium-telluridi ja kupari-indium-di- selenidi. Näistä valmistettujen paneelien hyötysuhteet ovat 16–18 %:a. (Aarnio, ei pvm) Nanoteknologiaan pohjautuvat paneelit perustuvat titaanioksidinanopartikkeleihin tarttunei- den väriainemolekyylien sähkökemialliseen reagointiin valon kanssa, jolloin syntyy sähköä.

Tämän tekniikan etuina ovat alhaiset tuotantokustannukset sekä yksinkertaiset valmistusme- netelmät. Hyötysuhde nanoteknologiaan perustuvilla paneeleilla on noin 11 %:a. (Aarnio, ei pvm)

4.2 Aurinkosähköjärjestelmät

Aurinkosähköjärjestelmä voi olla kytketty sähköverkkoon tai se toimii itsenäisenä sähkön- tuotantolaitoksena. Etenkin sähköverkon ulkopuolisilla kesämökeillä aurinkosähköjärjestel- mät ovat suosittuja. Tällöin aurinkosähköjärjestelmään kuuluu paneelien lisäksi akusto, johon sähkö varastoidaan. Akuston ja paneelien välillä on säädin, joka säätää paneelien tuoton mahdollisimman suureksi. Nykyisin säätimenä on MPPT-säädin, joka säätää aurinkopaneelien ulostulojännitettä olosuhteiden mukaan, jolloin järjestelmä toimii parhaalla mahdolli- sella hyötysuhteella. (Motiva, 2014e)

(15)

Jos halutaan käyttää vaihtovirralla toimivia laitteita, täytyy järjestelmään lisätä invertteri, joka muuntaa tasasähkön vaihtosähköksi. Invertteri on pakollinen, mikäli aurinkosähköjär- jestelmä liitetään yleisessä sähköverkossa olevaan kohteeseen, esimerkiksi omakotitaloon.

Alle 3 kW:n aurinkosähköjärjestelmiin on saatavilla yksivaiheisia invertterejä ja tätä suurempien järjestelmien invertterit ovat yleensä kolmevaiheisia. (Motiva, 2014d)

Mikäli aurinkosähköjärjestelmä liitetään yleiseen sähköverkkoon, on siitä tehtävä ilmoitus paikalliselle verkonhaltijalle joka myöntää luvan järjestelmän liittämiseen sähköverkkoon.

Yhtenä vaatimuksena verkkoliitynnälle on aurinkosähköjärjestelmän luotettava erotus säh- köverkosta. Tämä toteutetaan invertterin ja sähkökeskuksen väliin asennettavalla lukitta- valla turvakytkimellä. Kuvassa 4.1 on esitetty verkkoon liitettävän aurinkosähköjärjestelmän periaate. (Motiva, 2014d)

Kuva 4.1 Aurinkopaneelien liittyminen yleiseen sähköverkkoon rakennuksen sähkökeskuksen kautta.

Mikäli aikoo myydä tuottamaansa ylijäämäsähköä verkkoon, on tälle sähkölle oltava ostaja.

Useat sähköyhtiöt ostavat alueellaan tuotetun sähkön, mutta tähän voi sisältyä erilaisia eh- toja, kuten asiakkuus kyseisessä yhtiössä (Lappeerannan energia oy, 2015b).

4.3 Olosuhteet aurinkosähkön tuotannolle Suomessa

Eteläisessä Suomessa olosuhteet aurinkosähkön tuottamiseen ovat lähes yhtä hyvät kuin Keski-Euroopassa. Kuvassa 4.2 on esitetty Euroopassa saatava Auringon säteilyenergian määrä vuositasolla. Kuvasta nähdään, että Etelä-Suomen säteilymäärä on suuruudeltaan Pohjois-Saksan luokkaa. Suomessa säteily painottuu kuitenkin voimakkaammin kesäajalle kuin lähempänä päiväntasaajaa, sillä Suomessa päivät ovat kesäisin pitempiä, kuin lähem- pänä päiväntasaajaa ja talvisin päivät ovat Suomessa puolestaan lyhyempiä. (Kosonen, et al., 2014), (Motiva , 2014b).

(16)

Kuva 4.2 Auringon säteilyenergian suuruus Euroopassa vuositasolla, (Šúri, et al., 2012).

Suomessa aurinkosähkön tuotannon sijoittuminen kesäkuukausille ja päiväsaikaan on kotitalouksien kannalta ongelmallinen, koska Suomen kylmistä olosuhteista johtuen energian- kulutuksen huipputehontarve on talvella. Lisäksi päiväsaikaan ollaan yleensä poissa kotoa, jolloin kotitalouksissa ei juurikaan kuluteta saatavilla olevaa aurinkosähköä. Kotitalouksien energiankäyttö painottuukin aamuihin ja iltoihin, joten saatavilla olevaa aurinkosähköä pi- täisi pystyä varastoimaan näihin hetkiin. Mahdollisia varastointi keinoja ovat akustot, säh- köverkko tai energian muunto toiseen muotoon helpomman varastoinnin vuoksi. Akustojen käyttö sähköverkossa olevassa kohteessa ei ole kuitenkaan järkevää akkujen korkean hinnan vuoksi (Motiva, 2014c).

Myös sähkön myynti verkkoon ja sieltä ostaminen tarvittaessa on ongelmallista, koska myy- dystä sähköstä saadaan pienempi hinta kuin ostettavasta joudutaan maksamaan. Esimerkiksi Lappeenrannan Energia Oy maksaa vuoden määräaikaisessa sopimuksessa ostamastaan pientuottajan sähköstä 3,95 snt/kWh, kun taas myyntihinta vastaavan pituisessa määräaikai- sessa sopimuksessa on 4,90 snt/kWh. Näihin hintoihin tulee lisäksi siirtomaksu ja sähkövero.

Siirtomaksun suuruus ostettaessa Lappeenrannan Energialta sähköä on 4,04 snt/kWh ja pe- rusmaksu kuukaudessa tyypilliselle omakotiliittymälle on 5,27 €/kWh. Verkkoon myytävän sähkön siirtohinta puolestaan on 0,07 snt/kWh. Verkkoon myytävästä sähköstä saadaan siis noin 1/3 verrattuna ostettavan sähkön hintaan. (Lappeenrannan energia oy, 2015a) (Lappeerannan energia oy, 2015b).

(17)

5. ESIMERKKIKOHDE

Esimerkkikohteeksi valittiin Työ- ja elinkeinoministeriön, Sähköturvallisuuden edistämis- keskuksen ja Energiateollisuus ry:n tilaamassa Sähkönkäyttö Suomessa 2011, tutkimuksessa ollut sähkölämmitteinen neljän hengen omakotitalo. Tutkimuksen pääkoordinoijana on toi- minut Adato Energia Oy. Lisäksi mukana olivat seuraavat sähköyhtiöt: Fortum Oyj, Helen sähköverkot, Lahti Energia, Pohjois-Karjalan Sähkö Oy ja Turku Energia. (Adato energia, 2013).

5.1 Esimerkkitalon energiankulutus

Talous on neljän hengen sähkölämmitteinen omakotitalo, jonka pinta-ala on 120 m². Talon kokonaislämmitysenergiankulutus on 16000 kWh:a vuodessa. Tästä 9600 kWh:a tuotetaan sähköpattereilla, 2000 kWh käytössä olevalla puutakalla ja loput 4400 kWh:a syntyy sähkö- laitteiden hukkalämmöstä. Kuvassa 5.1 on esitetty esimerkkikohteen lämmitysenergian jakautuminen kuukausien kesken, joka ei sisällä lämpimän käyttöveden tarvitsemaa energiaa.

Mikäli oletetaan, että sähkölaitteista syntyvä oheislämpö on joka kuukausi yhtä suuri, saadaan sähkölaitteiden tuottamaksi lämmöksi noin 370 kWh:a kuukaudessa. Tällä lämpöener- gialla saadaan katettua talon lämmitysenergian tarve kesäkuun ja elokuun välisenä aikana.

Kuukausittainen lämmitysenergian tarve saadaan kertomalla vuoden kokonaistarve lämmi- tystarveluvun suhteellisella osuudella kutakin kuukautta kohden. Lämmitystarvelukuina on käytetty Ilmatieteenlaitoksen Internet-sivuilta löytyviä Lappeenrannan vertailukauden 1981–2010 lämmitystarvelukuja (Ilmatieteenlaitos, 2014). Nämä ja niiden suhteellinen osuus koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta on esitetty taulukossa 5.1.

Kuva 5.1 Esimerkkikohteen lämmitysenergian jakautuminen kuukausittain. Kuukaudessa tarvittava lämmitysenergia on saatu kertomalla vuosittainen energiantarve lämmitystarvelukujen suhteellisella osuudella koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

kWh

Kuukausi

(18)

Taulukko 5.1 Lappeenrannan lämmitystarveluvut kuukausittain ja niiden suhteellinen osuus koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta. (Ilmatieteenlaitos, 2014)

Kuukausi

Lämmitystarve- luku

Suhteellinen osuus %

Tammikuu 759 16,8

Helmikuu 699 15,5

Maaliskuu 621 13,8

Huhtikuu 403 8,9

Toukokuu 165 3,7

Kesäkuu 22 0,5

Heinäkuu 5 0,1

Elokuu 28 0,6

Syyskuu 184 4,1

Lokakuu 386 8,6

Marraskuu 546 12,1

Joulukuu 692 15,3

Koko vuosi 4510 100 %

Sähkönkäyttö Suomessa 2011 tutkimuksen mukaan lämpimään käyttöveteen esimerkkita- loudessa kuluu energiaa 3600 kWh:a vuodessa. Koska lämpimän käyttöveden kulutus pysyy päivästä toiseen lähes vakiona, saadaan päiväkohtaiseksi energiantarpeeksi 9,86 kWh:a.

Tämä vastaa 43 litran lämpimän käyttöveden vuorokausikulutusta henkeä kohden, mikä on hieman vähemmän kuin rakennusmääräyskokoelma D5:ssä annettu mitoitusarvo, 60 litraa vuorokaudessa.

Talolle hahmoteltiin jatkuvasti tasaisena pysyvä peruskuorma raportissa esitettyjen energi- ankulutusten perusteella. Peruskuormaan kuuluvaksi luokiteltiin ilmanvaihto, kylmälaitteet, ruuanlaittoon tarvittavat laitteet, pyykinpesuun ja –kuivaukseen käytettävät laitteet, kodin elektroniikka ja muu määrittelemätön kulutus. Näiden laitteiden voidaan ajatella olevan päi- vittäin jatkuvasti päällä, jolloin niiden tarvitsema energiakin pysyy päivittäin lähes vakiona.

Todellisuudessa esimerkiksi kylmälaitteet ovat päällä pienissä jaksoissa. Kun esimerkkikohteen kulutukset lasketaan yhteen, saadaan peruskuormaksi 443 W:a. Vuorokaudessa peruskuorman kuluttamaksi energiaksi saadaan siis 10,63 kWh:a.

5.2 Maalämpöpumppu

Laskentaa varten maalämpöpumpun tehoksi valittiin 8 kW. Pumpun ottoteho tässä kokoluo- kassa on noin 2 kW. Esimerkiksi Thermia Diplomat Optimum G3 maalämpöpumpun ottoteho on esitteen mukaan 1,7 kW. Tätä käytettiin laskennassa pumpun ottotehona. SPF-arvoksi esite antaa kyseiselle maalämpöpumpulle 4,4, joka on mitattu EN 14511 standardin mukaan. Koska ei löydetty SPF-arvoa pelkästään lämpimän käyttöveden tuotolle, valittiin arvoksi Lämpöpumppujen laskentaoppaan mukaisesti 2,3 (Eskola, et al., 2012). Tällä kertoimella 1,7 kW:n sähkön ottoteholla varustetusta maalämpöpumpusta saadaan lämpimän veden tuottotehoksi 3,9 kW:a. (Thermia oy, 2015)

(19)

Kyseinen maalämpöpumppu on invertterikäyttöinen, joten sitä voidaan käyttää vaihtelevalla nopeudella. Laskennassa pumpun oletettiin kuitenkin toimivan jatkuvasti täysteholla, koska tämä teho saadaan lähes kokonaan kesäisin tuotettua aurinkosähköjärjestelmällä. Pumpun liitäntä sähköverkkoon on kolmivaiheinen. (Thermia oy, 2015)

5.3 Aurinkosähköjärjestelmä

Aurinkosähköjärjestelmän mallinnukset tehtiin Homer-ohjelmistolla. Jokaiselle kuukau- delle määritettiin keskimääräinen tuntikohtainen päivätuotto ja simuloinnissa käytettiin 1 kW:n järjestelmää. Todellisuudessa aurinkopaneelin tuotto vaihtelee hyvin voimakkaasti riippuen pilvisyydestä ja paneelien sijoituksesta.

Paneelin sijoituspaikaksi valittiin Lappeenranta ja kulmaksi 15°:tta. Paneelit on suunnattu etelään. Paneelin oletetaan olevan lumenpeitossa tammi-, helmi- ja joulukuun ajan, jolloin ei saada ollenkaan aurinkosähköä. Todellisuudessa tuotantoa olisi saatavissa pieniä määriä, jos paneelit olisivat lumesta puhtaat, mutta Suomessa talvisaikaan saatava aurinkoenergia on vuositasolla merkityksettömän pieni. Simuloitua tulosta skaalattiin, jolloin saatiin halutun kokoinen aurinkosähköjärjestelmä. Kuvassa 5.2 on esitetty 1 kW:n kokoisen aurinkosähkö- järjestelmän tuntikohtainen tuottoteho maaliskuusta marraskuuhun. Liitteessä I on esitetty taulukkomuodossa 1 kW:n aurinkopaneelin tuotantolukemat tunneittain, sekä päivän koko- naissumma. Suurempien paneelien tehot on laskettu kertomalla 1 kW:n paneelin tuottoluke- mia halutulla kertoimella. Esimerkiksi 3 kW:n paneelin tuotto saadaan käyttämällä kertoi- men arvona lukua 3.

Kuva 5.2 1 kW:n aurinkopaneelin simuloitu keskimääräinen tuotanto yhden päivän ajalta maaliskuusta marraskuuhun. Todellisuudessa päiväkohtaiset kuvaajat vaihtelevat kuukausien sisällä huomattavasti pilvisyyden ja varjostusten mukaan.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Teho, kW

Tunti

Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu

Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu

(20)

6. TULOKSET

Laskennassa vuorokaudessa tarvittava lämmin käyttövesi tehtiin joka päivä maalämpöpum- pulla. Pumpun käyntiajaksi valittiin kello 12–15, jolloin aurinkopaneeleista saadaan oletettavasti suurin teho. Tässä ajassa saadaan tuotettua valitulla maalämpöpumpulla 11,73 kWh:a lämmintä käyttövettä, joka vastaa nelihenkisen perheen laskennallista lämpimän käyttöve- den päivittäistä kulutusta. Vaikka esimerkkikohteen kulutus on pienempi kuin laskennallinen kulutus, ei pienoinen ylimitoitus haittaa, sillä veden kulutus vaihtelee päivittäin ja näin saadaan katettua myös päivät, jolloin kulutus on keskiarvoa suurempi. Talouden sähkönku- lutuksen peruskuorman suuruus on 0,44 kW:a ja pumpun olleessa päällä on rakennuksen sähkötehontarve vähintään 2,14 kW:a. Sähköenergiaa pumppu käyttää lämpimän käyttöve- den tuotantoon 5,10 kWh:a ja kun tämä lasketaan yhteen peruskuorman energiantarpeen kanssa, saadaan päivittäiseksi energiankulutukseksi 15,66 kWh:a. Tämän lisäksi tulee vielä vuodenajasta riippuva lämmitysenergian tarve sekä muu vaihteleva kulutus, esimerkiksi te- levision katseleminen ja valaistuksen tarve.

Aurinkopaneelin kokoluokaksi valittiin 4, 5 ja 6 kW:a. Mikäli aurinkopaneelit eivät tuota riittävästi, ostetaan tarvittava sähkö sähköverkosta ja ylijäämäsähkö puolestaan myydään sähköverkkoon. Paneelien tuottama teho pyritään käyttämään taloudessa ja sitä käytetään peruskuorman kulutukseen sekä tuotannon mukaan myös maalämpöpumpun kuluttamaan tehoon. Taulukossa 6.1 on esitetty erikokoisten paneelien päivässä tuottama energia kWh:na sekä tuotetun energian yli- tai alijäämän suuruus kWh:na sekä prosentteina lämpimän käyt- töveden sekä peruskuorman vaatimasta energiasta. Negatiiviset luvut tarkoittavat, että täl- löin energiaa joudutaan ostamaan verkosta ja positiiviset puolestaan, että energiaa jää käyt- tämättä.

Taulukko 6.1 Eri kokoisten aurinkosähköjärjestelmien päivässä tuotettu energia, sen yli- tai alijäämä peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitseman energian jälkeen sekä % -osuus päivittäisestä peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitsemasta energiasta.

kuukausi Tuotettu energia, kWh Yli- / alijäämä % -Osuus tarpeesta

4 kW 5 kW 6 kW 4 kW 5 kW 6 kW 4 kW 5 kW 6 kW

Maalis-

kuu 10,65 13,31 15,97 −5,08 −2,42 0,24 67,7 84,6 101,5

Huhtikuu 14,55 18,19 21,83 −1,18 2,46 6,10 92,5 115,6 138,8 Toukokuu 17,90 22,38 26,85 2,17 6,65 11,12 113,8 142,3 170,7 Kesäkuu 18,13 22,66 27,19 2,40 6,93 11,46 115,2 144,1 172,9 Heinäkuu 17,19 21,49 25,79 1,46 5,76 10,06 109,3 136,6 164,0 Elokuu 13,91 17,39 20,87 −1,82 1,66 5,14 88,5 110,6 132,7 Syyskuu 9,76 12,19 14,63 –5,97 −3,54 −1,10 62,0 77,5 93,0 Lokakuu 5,20 6,49 7,79 −10,53 −9,24 −7,94 33,0 41,3 49,5 Marras-

kuu 2,19 2,74 3,29 −13,54 −12,99 −12,44 13,9 17,4 20,9

(21)

6.1 4 kW:n järjestelmä

Kuvassa 6.1 on esitetty 4 kW:n aurinkopaneelin tuottama teho tunneittain, sekä mustalla kuvattuna maalämpöpumpun ajo. Punaisella on kuvattu talon laskennallinen peruskuorma.

Kuvasta ja liitteessä II olevasta taulukosta nähdään, että 4 kW:n paneelilla saadaan tuotettua marraskuuta lukuun ottamatta talon peruskuorman kuluttama teho päiväsaikaan. Lokakuussa peruskuorman teho saadaan katettua 9–16 välisenä aikana ja kesäkuussa 6–20 välisen ajan.

Kun maalämpöpumppu laitetaan päälle, ei paneelien tuottama teho riitä kattamaan tarvitta- vaa tehoa minään kuukautena. Kesäkuussa verkosta joudutaan ottamaan tehoa pumpun käy- dessä hieman yli 200 W:a ja lokakuussa 1,4 kW:a eli lähes koko pumpun tarvitsema teho.

Vaikka paneelin tuottama keskimääräinen teho, vajaa 2 kW:a, ei riitä minään kuukautena kattamaan kaikkea maalämpöpumpun ja peruskuorman kuluttamaa tehoa, riittäisi tuotettu energia kuitenkin touko-, kesä- ja heinäkuussa lämpimän käyttöveden tuotantoon ja peruskuormaan. Yksi vaihtoehto tämän energian käyttöön saamiseksi olisi ohjauslogiikan käyttö veden lämmittämisessä. Tätä vaihtoehtoa on tutkittu aiemmin (Huoman, et al., 2014) ja ohjauslogiikan avulla saatiin hyödynnettyä tuotettu aurinkosähkö huomattavasti tehokkaammin kuin ilman logiikkaa.

Taulukosta 6.1 nähdään, että paneelilla saadaan tuotettua peruskuorman ja lämpimän käyt- töveden tarvitsema energia touko-, kesä- ja heinäkuussa. Tällöin verkkoon myytävän sähkön määrä on vuorokaudessa 1,4–2,4 kWh:a. Muina kuukausina energiaa joudutaan ostamaan verkosta 1,2–15,7 kWh:a. Ylitse jäänyt sähkö voitaisiin käyttää taloudessa, jos se pystyttäi- siin varastoimaan johonkin tai käyttämään rakennuksen lämmittämiseen. Mikäli toukokuun lämmitystarpeen ajatellaan jakautuvan tasaisesti koko kuukaudeksi, niin päiväkohtainen lämmitysenergian tarve on 18,9 kWh:a. Mikäli kaikki aurinkopaneelilla tuotettu ylijäämä- energia käytettäisiin maalämpöpumpun (spf 3,5) avulla lämmitykseen, saataisiin päivittäin lämmitysenergiaa 7,6 kWh:a. Loppu sähköenergia täytyy ostaa sähköverkosta.

(22)

Kuva 6.1 4 kW:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto eri kuukausina ja maalämpöpum- pun ajo lämpimän käyttöveden teossa. Kulutuksessa on huomioitu esimerkkikohteen laskennallinen peruskulutus, jonka päälle tulee maalämpöpumpun käyttö.

Kuvasta 6.2 nähdään, että 5 kW:n aurinkopaneelilla pystytään marraskuussakin kello 11–15 kattamaan keskimäärin peruskulutuksen tarvitsema teho, johon ei päästy 4 kW:n paneelilla.

Kesäkuussa peruskuorman tarvitsema teho saadaan paneelista 6–20 välisenä aikana ja peruskuorman ja maalämpöpumpun tarvitsema teho saadaan katettua kokonaisuudessaan touko-, kesä- ja heinäkuussa. Muina kuukausina joudutaan ostamaan osa tarvittavasta te- hosta pumpun käydessä. Huhtikuussakin on luultavasti mahdollista saada katettua tarvittava teho paneelien avulla, sillä huhtikuun tuotantosimulaatiossa on kello 12:n kohdalla pieni kuoppa, ilmeisesti pilvisyyden vaikutuksesta. Ilman tätä tuotannon pudotusta paneelin tuottama keskimääräinen teho riittäisi oletettavasti myös huhtikuussa maalämpöpumpun käyt- töön.

Taulukosta 6.1 nähdään, että paneelilla tuotettu energia riittää kattamaan peruskulutuksen ja lämpimän käyttöveden tarpeen huhtikuusta ja heinäkuun loppuun. Touko-, kesä- ja heinä- kuussa paneelilla saadaan tuotettua lähes 1,5 kertaa peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitsema energia. Toukokuussa tuotettu energia riittäisi myös rakennuksen lämmitykseen, sillä aurinkopaneeli tuottaa ylijäämäenergiaa taulukon 6.1 mukaan 6,65 kWh:a ja tästä saataisiin maalämpöpumpulla lämpöenergiaa 23,3 kWh:a. Mikäli kuukauden lämmitystarpeen ajatellaan jakautuvan tasaisesti jokaiselle päivälle, niin toukokuussa lämmitysenergiaa tarvitaan päivässä 18,9 kWh:a.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Teho, kW

Tunti

Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu

Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu

Marraskuu Peruskulutus Pumpun ajo

(23)

Kuva 6.2 5 kW:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto eri kuukausin, sekä peruskuorma ja maalämpöpumpun käyttö lämpimän käyttöveden tuotannossa.

Kuvassa 6.3 on esitetty 6 kW:n aurinkopaneelilla tuotettu päivittäinen teho ja maalämpö- pumpun ajo. Kuvasta nähdään, että paneeleilla saadaan tuotettua peruskuorman ja maaläm- pöpumpun vaatima teho kokonaisuudessaan huhtikuun ja elokuun välisenä aikana. Maalis- kuussa saadaan tuotettua lähes kaikki tarvittava teho, sillä verkosta joudutaan ottamaan vain noin 100 W:a. Toukokuun ja heinäkuun välisenä aikana pumpun käydessä tuotetaan ylimää- räistä tehoa reilun 500 W:n verran. Peruskuorman tarvitsema teho saadaan katettua toukokuun ja elokuun välisenä aikana kello 7–18.

Taulukosta 6.1 havaitaan, että energiaa 6 kW:n paneelilla saadaan tuotettua peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarpeeseen maaliskuusta elokuuhun. Suurimmillaan tuotanto on touko- ja kesäkuussa, jolloin energiaa saadaan 1,7-kertaisesti kulutukseen nähden. Touko- kuussa tuotettu energia riittää peruskuormaan, sekä käyttöveden ja rakennuksen lämmittä- miseen. Huhtikuussa peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitseman energian jälkeen jääneellä energialla saataisiin katettua 45 %:a lämmitysenergiasta.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Teho, kW

Tunti

Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu

Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu

(24)

Kuva 6.3 6 kW:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto tunneittain eri kuukausina, sekä rakennuksen peruskuorman kulutus ja maalämpöpumpun käyttö.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Teho, kW

Tunti

Maaliskuu Elokuu Huhtikuu Toukokuu

Kesäkuu Heinäkuu Syyskuu Lokakuu

(25)

7. YHTEENVETO

Kun nelihenkiselle perheelle tehdään päivittäin lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, tar- vitsee 8 kW nimellistehoisen pumpun olla käytössä vajaa 3 tuntia, vaikka tarvittava energia- määrä on reilu 10 kWh:a, johon pitäisi riittää hieman yli tunnin aikajakso. Tämä johtuu maa- lämpöpumpun pienemmästä hyötysuhteesta tehtäessä kuumempaa käyttövettä, kuin rakennuksen lämmityksessä käytettävää +30 °C:sta vettä. Tämä 3 tunnin jakso voitaisiin ohjauksen avulla ajoittaa etenkin kesäkuukausina päiväsajaksi, jolloin päivällä saatavaa aurin- kosähköä käytetään maalämpöpumpun pyörittämiseen. Näin saataisiin käytettyä itse tuotettu aurinkoenergia paremmin hyödyksi tuotantokohteessa, jolloin sähkön siirto sähköverkkoon ja takaisin vähenisi.

Yli 5 kW:n aurinkosähköjärjestelmä riittää tuottamaan 8 kW:n maalämpöpumpun ja rakennuksen oletetun peruskuorman tarvitseman tehon kesäkuukausina. Mikäli maalämpöpum- pun ottotehoa säädettäisiin pienemmäksi ja käyntiaikaa pidemmäksi, saataisiin myös pie- nemmillä aurinkosähköjärjestelmillä tuotettua lämpimän käyttöveden tarvitsema energia ke- säkuukausina. Luonnollisesti aurinkosähköjärjestelmän kokoa kasvatettaessa, saadaan läm- min käyttövesi tuotettua useampana kuukautena aurinkosähköllä.

Mikäli käytössä olisi riittävän suuri energiavarasto ja maalämpöpumpun ohjaus osaisi enna- koida mahdollisen pilvisyyden, voitaisiin tarvittava käyttövesi tehdä valmiiksi esimerkiksi edellisenä päivänä, mikäli tuolloin olisi riittävästi aurinkosähköä tarjolla. Tällöin pystyttäi- siin hyödyntämään uusiutuvaa energiaa tehokkaammin ja sähköverkosta ostettavan sähkön määrää saadaan vähennettyä.

(26)

LÄHTEET

Adato energia, 2013. Kotitalouksien sähkönkäyttö 2011. [luettu 10.4.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/files/8300/Kotitalouksien_sahkonkaytto_2011_Tutkimusraportti.pdf Eskola, L., Jokisalo, J. & Siren K., 2012. Lämpöpumppujen energialaskentaopas. [verkkodokumentti], [luettu 10.4.2015], saatavilla http://www.ymparistoministerio.fi/fi- FI/Maankaytto_ja_rakentaminen/Lainsaadanto_ja_ohjeet/Rakentamismaarayskokoelma Aarnio, ei pvm. Helsinki University of technology, laboratory of advanced energy systems, Aurinkosähkö. [verkkodokumentti], [luettu 9.4.2015], saatavilla http://tfy.tkk.fi/aes/AES/projects/renew/pv/pv-tekno.html

Huoman, K., Kosonen, A. & Ahola, J., 2014. Intelligent Control of Solar Power with Water Heating System. s.l., Lappeenranta University of Technology.

Ilmatieteenlaitos, 2012. Energialaskennan testivuodet nykyilmastossa. [verkkodokumentti].

[luettu 10.4.2015], saatavilla

http://ilmatieteenlaitos.fi/image/image_gallery?uuid=9db2c61f-89fe-476e-9c28- 00b344cc2e9d&groupId=30106&t=1310461575775

Ilmatieteenlaitos, 2014. Lämmitystarveluku. [verkkodokumentti], [luettu 10.4.2015], saatavilla http://ilmatieteenlaitos.fi/lammitystarveluvut

Juvonen, J. & Lapinlampi, T., 2013. Energiakaivo. Maalämmön hyödyntäminen pientaloissa. [verkkodokumentti], [luettu 30.3.2015], saatavilla https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf?sequence=4

Kosonen, A., Ahola, J., Breyer, C. & Albo, A. 2014. Large Scale Solar Power Plant in Nordic Conditions, s.l.: Lappeenranta University of Technology.

Kotavuopio, R., 2011. Maalämpö ja aurinkojärjestelmien suunnittelutarkastelu.

[verkkodokumentti], [luettu 25.5.2015], saatavilla

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/29125/Kotavuopio_Risto.pdf?sequence=1 Lappeenrannan energia oy, 2015a. Sähkön myyntihinnasto. [verkkodokumentti], [luettu

24.5.2015], saatavilla

http://www.lappeenrannanenergia.fi/palvelut/LRE%20tiedostot/Hinnastot/150323-LRE- Sahkon-myyntihinnasto-maaraik-1v-web.pdf

Lappeerannan energia oy, 2015b. Sähkön ostohinnasto. [verkkodokumentti], [luettu

http://www.lappeenrannanenergia.fi/palvelut/LRE%20tiedostot/Hinnastot/150323-LRE- sahkon-ostohinnasto-web.pdf

Motiva, 2009. Pientalojen lämmitysjärjestelmät. [verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/files/2701/Pientalon_lammitysjarjestelmat.pdf

(27)

Motiva, 2013. Maalämpöpumppu. [verkkodokumentti], [luettu 30.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/rakentaminen/lammitysjarjestelman_valinta/eri_lammitysmuodot/ma alampopumppu

Motiva, 2014a. Veden kulutus. [verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/mihin_energiaa_kuluu/vedenkulutus

Motiva , 2014b. Auringon säteilyn määrä Suomessa. [verkkodokumenti], [luettu 10.4.2015], saatavilla

http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkos ahkon_perusteet/auringonsateilyn_maara_suomessa

Motiva, 2014c. Aurinkosähköjärjestelmät, Uusia teknologioita ja toimintamalleja.

[verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla

http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkos ahkojarjestelmat/uusia_teknologioita_ja_toimintamalleja

Motiva, 2014d. Verkkoon liitetty aurinkosähköjärjestelmä. [verkkodokumentti], [luettu

http://motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/jarjestelman_v alinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_liitetty_aurinkosahkojarjestelma

Motiva, 2014e. Verkkoon kytkemätön aurinkosähköjärjestelmä. [verkkodokumentti], [luettu

http://motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/jarjestelman_v alinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_kytkematon_aurinkosahkojarjestelma

Motiva, 2015. Energiatehokas koti, lämmitys. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla

http://www.energiatehokaskoti.fi/files/498/Lammitysmuotojen_markkinaosuus_uusissa_pi entaloissa_2006-2014.jpg

Nieminen, J. & Lylykangas, K., 2009. Passiivitalon määritelmä. [verkkodokumentti],

[luettu 1.4.2015], saatavilla

http://www.passiivi.info/download/passiivitalon_maaritelma.pdf

Saarela, J., 2012. Aurinkoenergian hyödyntäminen pientalossa. [verkkodokumentti], [luettu

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/45330/Saarela_Jaakko.pdf?sequence=1 SULPU, 2012. SULPU tiedottaa. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://www.sulpu.fi/uutiset/-/asset_publisher/WD1ExS3CMra3/content/cop-cop-tosi-o-1 Šúri, M., Huld, T. A., Dunlop, E. D. & Ossenbrink, H. A., 2012. Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries.

[verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Thermia oy, 2015. Thermia Diplomat G3. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://www.thermia.fi/docroot/dokumentbank/FIN_Thermia_DOG3_DDOG3_datablad_FI N.pdf

(28)

Tilastokeskus, 2013. Asumisen energiankulutus. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://www.stat.fi/til/asen/2013/asen_2013_2014-11-14_tie_001_fi.html

Ympäristöministeriö, 2013. Suomen rakennusmääräyskokoelma osa D5.

[verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.ymparistoministerio.fi/fi- FI/Maankaytto_ja_rakentaminen/Lainsaadanto_ja_ohjeet/Rakentamismaarayskokoelma

(29)

LIITE 1. 1 kW:n aurinkosähköjärjestelmän simuloitu tuotto tunneittain

Tunti Tam-

mi- kuu

Hel- mi- kuu

Maa- lis- kuu

Huh- tikuu

Tou- ko- kuu

Kesä- kuu

Hei- näku

u

Elo- kuu

Syys- kuu

Lo- ka- kuu

Mar- ras- kuu

Jou- lukuu 1 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 2 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 3 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 4 0,000 0,000 0,000 0,000 0,003 0,013 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 5 0,000 0,000 0,000 0,001 0,023 0,041 0,026 0,005 0,000 0,000 0,000 0,000 6 0,000 0,000 0,000 0,021 0,086 0,107 0,082 0,036 0,002 0,000 0,000 0,000 7 0,000 0,000 0,017 0,103 0,171 0,185 0,153 0,107 0,047 0,002 0,000 0,000 8 0,000 0,000 0,099 0,195 0,278 0,260 0,236 0,190 0,110 0,043 0,000 0,000 9 0,000 0,000 0,195 0,280 0,336 0,319 0,327 0,250 0,196 0,101 0,015 0,000 10 0,000 0,000 0,298 0,333 0,400 0,387 0,371 0,310 0,247 0,180 0,068 0,000 11 0,000 0,000 0,328 0,420 0,443 0,443 0,431 0,349 0,290 0,163 0,092 0,000 12 0,000 0,000 0,341 0,414 0,460 0,472 0,448 0,369 0,312 0,192 0,106 0,000 13 0,000 0,000 0,345 0,442 0,480 0,485 0,459 0,407 0,327 0,193 0,103 0,000 14 0,000 0,000 0,359 0,420 0,440 0,429 0,431 0,391 0,286 0,171 0,090 0,000 15 0,000 0,000 0,297 0,357 0,424 0,391 0,399 0,347 0,248 0,128 0,063 0,000 16 0,000 0,000 0,207 0,287 0,379 0,345 0,323 0,283 0,191 0,099 0,010 0,000 17 0,000 0,000 0,130 0,210 0,263 0,270 0,249 0,210 0,126 0,028 0,000 0,000 18 0,000 0,000 0,047 0,120 0,170 0,194 0,189 0,146 0,053 0,000 0,000 0,000 19 0,000 0,000 0,000 0,034 0,088 0,117 0,107 0,066 0,004 0,000 0,000 0,000 20 0,000 0,000 0,000 0,002 0,028 0,053 0,048 0,010 0,000 0,000 0,000 0,000 21 0,000 0,000 0,000 0,000 0,004 0,019 0,013 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 22 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,002 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 23 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 24 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Yht. 0,000 0,000 2,662 3,638 4,476 4,532 4,298 3,479 2,439 1,299 0,548 0,000