Kandidaatintyö 19.1.2020 LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka
MÖKKIALUE OFF-GRID -TOTEUTUKSENA Off-grid system cottage village
Juha Pölönen
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan–Lahden teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka Juha Pölönen
Mökkialue off-grid -toteutuksena 2019
Kandidaatintyö.
45 s.
Ohjaajat: Tutkijaopettaja Antti Kosonen, Heikki Penttilä Tarkastaja: Tutkijaopettaja Antti Kosonen
Tutkimuksen tarkoituksena on mitoittaa ympärivuotinen aurinkoenergiajärjestelmä mökki- kylälle, jota ei ole liitetty valtakunnan sähköverkkoon. Aurinkoenergiajärjestelmän varavoi- malana toimii dieselaggregaatti. Mökkikylässä on kahta erilaista mökkityyppiä. Näitä ovat 60m2 maahan upotettava mökki ja 80m2 hirsimökki. Tutkimuksessa luodaan työkalu, jolla saadaan laskettua mökkien kulutusprofiili. Se laskee kulutuksen kuukausien keskiarvoina tunnin tarkkuudella. Työkalu laskee myös aurinkoenergiajärjestelmän käyttökustannukset.
Hankintakustannukset määrittää käyttäjä. Näiden kustannuksien avulla saadaan laskettua ta- loudellisesti halvin koko kennostolle ja akustolle. Työkaluun voidaan vaihtaa lähtöarvoja, joiden avulla saadaan mitoitettua energiankulutus myös halutessaan erityyppisille rakennuk- sille.
Tutkimus osoittaa, että 60m2 mökin vuotuinen kulutus on 7 038 kWh, ja sähkön tuottamisen kokonaiskustannukset kymmenen vuoden ajalta olisivat 17 647 €. 80m2 mökin vuotuinen kulutus on 12 346 kWh ja sähkön tuottamisen kokonaiskustannukset kymmenen vuoden ajalta olisi 29 382 €. Kyseisillä järjestelmillä saadaan katettua mökkien energiatarve liki ko- konaan kesäkuukausien ajalta, mutta talvella aggregaatti joutuu tuottamaan suurimman osan sähköstä kasvaneen kulutuksen ja aurinkoenergian puutteen vuoksi. Pitkällä aikavälillä suu- rin osa kuluista menee aggregaatin polttoaineeseen. Tämän pienentämiseksi mökkikylä voi- taisiin liittää valtakunnan sähköverkkoon, tai vähentää talvikuukausien kulutusta.
ABSTRACT
Lappeenranta–Lahti University of Technology LUT School of Energy Systems
Electrical Engineering Juha Pölönen
Off-grid system cottage village 2019
Bachelor’s Thesis.
45 p.
Instructors: Associate professor Antti Kosonen, Heikki Penttilä Examiner: Associate professor Antti Kosonen
The object of the study is to size an off-grid system for cottage village. Energy source in this study is based on solar power and for backup there is a diesel generator. There are two dif- ferent types of cottages in the village. 60m2 cottages are chambers that are half underneath the ground and 80m2 cottages are log cabins. The study required to create a tool for helping to size the most economical powerplant for cottage village. Starting values can be switched, so it is possible to size off-grid system for other buildings.
Results of the study show that for 60m2 cottages the annual consumption is 7 038 kWh, and the total cost of production of electricity for ten years is 17 647 €. 80m2 cottages annual consumption is 12 346 kWh, and total cost of production of electricity for ten years is 29 382 €. With these power plants it is almost possible to generate electricity only with solar power during summertime. However, during the winter main power resource is diesel gen- erator because of the increased consumption and the lack of the sunlight. On a long range most of the cost is generators fuel. One possible way to reduce the consumption of generators fuel is to change the cottage village to on-grid solar power system. The other way is to reduce the usage of cottages during the night-time and winter.
SISÄLLYSLUETTELO
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet
1. Johdanto ... 6
2. Off-grid -järjestelmä ... 6
3. Laskenta ... 8
3.1 Ilmalämpöpumppu ... 8
3.2 Aggregaatti ... 13
3.3 Taloudellisuuslaskelma ... 13
4. Tulokset ... 14
4.1 Kulutusprofiili ... 14
4.2 Lämminvesivaraaja ... 16
4.3 Mökkien varustelu ... 16
4.4 Aggregaatin kWh hinta ... 16
4.5 60m2 mökki ... 17
4.5.1 Vaipan häviöt ... 17
4.5.2 Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöt ... 18
4.5.3 Kokonaislämpöhäviöt ... 18
4.5.4 Ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila ... 20
4.5.5 Ilmalämpöpumpun COP -hyötysuhde ... 21
4.5.6 Ilmalämpöpumpun tarvitsema energia ... 22
4.5.7 Taloudellisuuslaskelma ... 23
4.6 80m2 mökki ... 26
4.6.1 Vaipan häviöt ... 26
4.6.2 Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöt ... 27
4.6.3 Kokonaislämpöhäviöt ... 28
4.6.4 Ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila ... 30
4.6.5 Ilmalämpöpumpun COP -hyötysuhde ... 31
4.6.6 Ilmalämpöpumpun tarvitsema energia ... 31
4.6.7 Taloudellisuuslaskelma ... 33
5. Johtopäätökset ... 34
Lähteet ... 41 Liitteet
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET
Agh aggregaatin kWh hinta Amökki mökin pinta-ala
Avaippa mökin vaipan pinta-ala
a aika vuosina
COP teoreettinen COP -hyötysuhde
COPILP ilmalämpöpumpun todellinen COP -hyötysuhde cp ilman ominaislämpökapasiteetti
Eag.a aggregaatin tuottama energia vuodessa
f tankin koko
h mökin korkeus
Htot mökin sähköistämisen kokonaishinta halutulle aika välille vuosina
k lämmönläpäisykerroin
pa polttoaineen hinta €/l
Pag aggregaatin jatkuva teho kW pc hankintakustannus
∆T17 ilmanvaihtokoneen tuloilman ja ulkoilman välinen erotus
∆T20 sisälämpötilan ja ulkolämpötilan erotus
∆Tken lämpötilaero ilmalämpöpumpun sisäkennon ja ulkolämpötilan välillä
Tkenno ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila
Tsisä mökin sisälämpötila
Tulko ulkolämpötila
t aggregaatin käyntiaika
QILP ilmalämpöpumpun tarvitsema energia
QIVK ilmanvaihtokoneen aiheuttamat lämpöhäviöt.
Qlämmitys mökin lämmitystarve
Qvaippa mökin vaipan aiheuttamat häviöt
qv,ivk laskettu keskimääräinen ilmanvaihto
qv,ilp ilmalämpöpumpun puhaltama ilmavirta
ƞ ilmanvaihdon poistoilman lämmöntalteenotto vuosihyötysuhde
ρ ilman tiheys
1. JOHDANTO
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, kuinka paljon maksaa sähköistää Rautjärven kunnassa sijaitseva, ympärivuotisessa käytössä oleva mökkikylä off-grid -toteutuksena. Toinen vaih- toehto mökkikylän sähköistämiseen on valtakunnan sähköverkkoon liittyminen. Mökkiky- lässä on kuusi, pinta-alaltaan 60m2 suurta, maahan upotettua kaariholvikattoista moduulia sekä kaksi suurempaa, pinta-alaltaan 80m2 suurta hirsimökkiä. Alaltaan 60m2 kokoiset mökit ovat lähes nollaenergiataloja (Revonia 2019). Tutkimuksessa tehdään kummallekin mökki- tyypille ympärivuotinen kulutusprofiili, josta selviää yksilöllisesti kuukausittainen energian kulutus tuntitasolla. Kulutusprofiilista selviää myös, mihin vuorokauden aikaan sijoittuvat suurimmat tehopiikit. Tutkimuksessa käytetään aurinkopaneeleita, akkuja ja dieselaggre- gaattia sähköistämiseen, sekä selvitetään, kuinka suuri aurinkovoimajärjestelmä on taloudel- lisin ratkaisu molemmille mökkityypeille.
Tutkimuksessa käytetään auringon tuotantodataa Lappeenrannan alueella, aurinkopaneelien ollessa etelään suunnattuna 15 asteen kulmassa, Rautjärven kunnan päivittäistä auringon nousu- ja laskutilastoja sekä Ilmatieteenlaitoksen antamia Parikkalan sääaseman lämpötila- tietoja vuodelta 2018. Tutkimuksessa käytetään myös eri jälleenmyyjien tarjoamia teknisiä tietoja kodinkoneista ja muista halutuista sähköä tarvitsevista koneista kulutusprofiilin mää- rittämiseksi mahdollisimman todenmukaiseksi.
2. OFF-GRID -JÄRJESTELMÄ
Off-grid -järjestelmä, toisin sanottuna saarekejärjestelmä, tarkoittaa valtakunnan sähköver- kosta irrallaan olevaa sähkötuotantojärjestelmää (Käpylehto 2014). Suomessa on 80 000 ke- sämökkiä, jotka saavat sähkönsä saarekejärjestelmästä (Käpylehto 2016). Off-grid -järjes- telmässä tuotetaan useimmiten energia aurinkopaneeleilla, jotka vastaanottavat auringon sä- teilemän energian. Off-grid -järjestelmässä tuotanto voi tulla myös esimerkiksi pientuulivoi- malasta tai aggregaatista. Tässä tutkimuksessa käytetään aurinkovoimaa asennushelppou- den, vähäisempien huoltokustannuksien, positiivisen hintakehityksen ja Rautjärven kunnan sijainnin takia. Järjestelmän ylituotettu energia varastoituu akkuihin. Tässä tutkimuksessa energiavaje korjataan aggregaatin tuottamalla sähköllä.
Off-grid -järjestelmiä käytetään yleisesti mökeillä, mutta sitä voidaan käyttää myös esimer- kiksi purjeveneissä, matkailuautoissa tai muissa valtakunnan sähköverkon ulottumattomissa paikoissa (Käpylehto 2016). Suurimmat erot off-grid -aurinkojärjestelmällä ja verkkoon kiinnitetyllä aurinkojärjestelmällä on, että invertterit joutuvat muodostamaan verkon off-gri- dissä, eikä verkkoon liitetyllä järjestelmällä ei ole akkuja. Akkujen puuttuminen on-gridissä johtuu siitä, ettei niitä tarvita, sekä siitä, että ne eivät ole vielä välttämättä taloudellisesti kannattavia, koska ylituotetun sähkön voi myydä sähköyhtiölle (Käpylehto 2016). Off-grid järjestelmässä kuitenkin akut ovat ehdottomia, jotta sähköä saadaan varastoitua ajanjak- soille, jolloin tuotanto on alhaista.
Kuvassa 2.1 on havainnoitu off-grid -aurinkoenergiajärjestelmän eri osat. Aurinkopaneelit- keräävät auringon energian. Aurinkoenergia joko varastoidaan akkuihin tai energia menee suoraan käyttöön. Mikäli aurinkoenergiaa ei ole saatavilla tarpeeksi, generaattori tuottaa energiaa energiavajeen täyttämiseksi. Aurinkoenergia on tasavirtaista, joten se täytyy muut- taa invertterillä vaihtovirraksi. Generaattorilla tuotettu sähkö on useimmissa tapauksissa vaihtovirtaista, joten sitä ei tarvitse muuttaa invertterillä. Paneelien ja akuston välillä on myös usein ohjausyksikkö tai säädin, joka suojaa akustoa ylilatautumiselta tai kokonaan tyh- jentymiseltä.
Kuva 2.1 Esimerkki off-grid aurinkoenergiajärjestelmästä (Energy informative 2012)
3. LASKENTA
Mökkien energiakulutuksen selvittämiseksi tarvitaan erilaisia laskutoimituksia ja oletuksia.
Tässä luvussa esitetään kaavat, joilla saadaan eri mökkien energiakulutukset selville. Mo- lemmille mökkityypille sopivat samat kaavat, mutta käytetyt lähtöarvot ovat erilaiset. Tähän palataan paremmin Tulokset-kappaleessa.
3.1 Ilmalämpöpumppu
Tutkimuksessa mökkien lämmitys on toteutettu pelkästään ilmalämpöpumpulla. Tutkimuk- sessa ei olla otettu huomioon puulämmityksen mahdollisuutta. Tutkimuksessa käytetään Mitsubishin MSZ-LN25VGW -ilmalämpöpumppua.
Ilmalämpöpumpun kuluttama sähkö riippuu mökin kokonaishäviöistä ja todellisesta COP - hyötysuhteesta. Mökin häviöiden selvittämiseksi tarvitaan tiedot mökin vaipan pinta-alasta, lämmönläpäisykerroin, lämpötilaero mökin sisälämpötilan ja ulkolämpötilan välillä sekä il- manvaihdon aiheuttama lämpöhäviö. Häviöihin vaikuttaa myös rakennuksen vuotoilma, mutta sitä ei ole otettu huomioon tässä tutkimuksessa. (Ympäristöministeriö 2017)
Ulkolämpötila on saatu ilmatieteenlaitokselta tunnin tarkkuudella vuodelta 2018 (Ilmatie- teenlaitos 2019). Lämpötilatiedot ovat Parikkalasta, sillä se on lähin mittauspiste mökkien sijainnista. Taulukosta 3.1 nähdään kuukauden keskiarvolämpötilat tunneittain.
Taulukko 3.1. Vuoden 2018 kuukausien lämpötilakeskiarvot tunnin tarkkuudella Parikkalan sääasemalta (Il- matieteenlaitos 2019).
Taulukosta 3.1. havaitaan helmikuun olevan kylmin kuukausi vuonna 2018, ja heinäkuun lämpimin. Heinä-elokuusta huomataan lämpötilojen olevan hetkellisesti yli halutun mökin sisälämpötilan.
Ilmalämpöpumpun kulutuksen laskemiseksi täytyy laskea ilmalämpöpumpun todellinen COP -hyötysuhde, sekä lämmitystarve. Mökin lämmitystarve tarkoittaa toisin sanoen mökin häviöitä.
Mökin vaipan pinta-ala saadaan kaavasta (3.1). Oletuksena mökin pohja on muodoltaan ne- liö.
𝐴vaippa = ℎ ∗ √𝐴mökki ∗ 4 + 𝐴mökki∗ 2 (3.1) missä
𝐴vaippa on mökin vaipan pinta-ala m2 ℎ on mökin korkeus m, ja
𝐴mökki on mökin pinta-ala m2.
Kello Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu
00:00 -4,72 -11,87 -10,57 -0,56 6,03 8,69 13,93 12,91 9,15 3,25 1,22 -5,05
01:00 -4,67 -12,01 -11,10 -0,70 5,33 7,85 13,59 12,35 8,98 3,25 1,22 -5,10
02:00 -4,68 -12,20 -11,43 -0,94 5,39 8,55 13,77 12,12 8,77 3,01 1,09 -5,16
03:00 -4,75 -12,33 -11,97 -1,03 7,29 10,55 15,16 12,45 8,73 2,86 1,06 -5,20
04:00 -4,83 -12,37 -12,65 -0,45 10,19 12,46 16,92 13,75 9,02 2,69 0,89 -5,31
05:00 -4,85 -12,54 -11,78 0,72 12,24 13,67 18,28 15,71 9,89 2,90 1,13 -5,38
06:00 -5,12 -12,73 -10,34 2,33 13,89 14,70 19,45 17,25 10,95 3,56 1,16 -5,47
07:00 -5,25 -12,04 -8,53 3,99 15,09 15,81 20,47 18,58 12,08 4,73 1,29 -5,48
08:00 -5,15 -11,30 -6,73 4,98 16,12 16,48 21,16 19,56 12,73 5,56 1,55 -5,51
09:00 -4,95 -10,22 -5,31 5,72 16,81 16,87 21,59 20,26 13,41 6,20 1,76 -5,30
10:00 -4,75 -9,35 -4,31 6,38 17,50 17,56 22,29 20,62 13,91 6,69 1,97 -5,15
11:00 -4,61 -8,66 -3,80 6,98 18,03 17,49 22,51 20,94 14,07 7,23 2,13 -5,09
12:00 -4,51 -8,30 -3,55 7,31 18,49 17,92 23,03 21,01 14,28 7,46 2,13 -5,03
13:00 -4,70 -8,23 -3,45 7,39 18,55 17,67 23,14 21,11 14,36 7,39 2,08 -5,05
14:00 -4,78 -8,34 -3,61 7,30 18,55 17,65 23,03 20,58 14,18 7,02 1,92 -5,06
15:00 -5,13 -8,87 -4,09 6,79 18,18 17,46 22,91 20,30 13,67 6,08 1,76 -5,06
16:00 -5,21 -9,60 -5,09 6,04 17,65 16,74 22,61 19,64 12,89 5,40 1,71 -5,01
17:00 -5,33 -10,28 -6,47 4,40 16,74 15,93 21,73 18,48 11,60 4,94 1,62 -4,95
18:00 -5,12 -10,67 -7,51 2,44 14,47 15,18 20,26 16,93 10,58 4,32 1,56 -4,95
19:00 -5,20 -11,01 -7,97 1,09 11,47 13,38 17,67 15,57 10,09 4,05 1,43 -5,02
20:00 -5,06 -11,44 -8,39 0,53 9,64 11,75 16,17 14,78 9,72 3,94 1,23 -5,07
21:00 -5,15 -11,56 -8,73 0,47 8,30 10,87 15,11 14,22 9,50 3,80 1,23 -5,05
22:00 -5,12 -11,88 -9,19 0,31 7,56 9,70 14,46 13,76 9,30 3,47 1,10 -5,00
23:00 -5,15 -12,09 -9,77 0,16 6,62 9,09 14,00 13,32 9,14 3,52 1,01 -5,01
Mökin vaipan pinta-alaan ei kuulu rakennuksen sisällä olevat eri tiloja erottavat seinät.
Mökin häviöihin vaikuttava lämmönläpäisykerroin, eli U-arvo, tarkoittaa lämpövirran ti- heyttä, joka jatkuvuustilassa läpäisee rakennusosan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puo- lilla olevien ilmatilojen välillä on yksikön suuruinen. Yksikkönä käytetään W/(m2K). (Ym- päristöministeriö 2011). Taulukossa 3.2 kerrotaan lämpimän rakennuksen U-arvojen raja- arvoja.
Taulukko 3.2. Lämpimän, erityisen lämpimän tai jäähdytettävän kylmän tilan rakennusosien U-arvojen raja- arvoja, jolloin ei tarvitse kompensoida muilla osilla. (Ympäristöministeriö 2011)
seinä 0,17 W/(m²K)
hirsiseinä 0,40 W/(m²K)
yläpohja ja
ulkoilmaan rajoittuva alapohja
0,09 W/(m²K)
ryömintätilaan rajoittuva alapohja 0,17 W/(m²K) maata vasten oleva rakennusosa 0,16 W/(m²K) ikkuna, kattoikkuna, ovi, kattovalokupu,
savunpoisto- ja uloskäyntiluukku
1,0 W/(m²K)
Lämpimällä tilalla tarkoitetaan tilaa, jossa mitoitettu huonelämpötila mitoitetaan +17ºC tai sitä korkeampi lämpötila. Tutkimuksessa olevat mökit ovat tällaisia rakennuksia, joten mök- kejä koskevat taulukon 3.2. mukaiset arvot. Loma-asunnoille sallitaan suurempia U-arvoja, kuin taulukon 3.2 mukaiset. Tutkimuksessa olevat loma-asunnot ovat kuitenkin tarkoitettu majoituselinkeinon harjoittamiseen. Mökeissä on myös suunniteltu lämmitysjärjestelmä ym- pärivuotiseen käyttöön, jolloin U-arvot pysyvät taulukon 3.2 mukaisina. (Ympäristöminis- teriö 2011).
Mökin rakenteiden aiheuttamat häviöt watteina saadaan laskettua kaavasta (3.2).
𝑄vaippa = 𝑘 ∗ (𝛥𝑇20∗ 𝐴vaippa) (3.2)
missä
k on lämmönläpäisykerroin,
𝑄vaippa on mökin vaipan aiheuttamat häviöt, ja
𝛥𝑇20 on sisälämpötilan ja ulkolämpötilan erotus, oletus sisälämpö- tila 20ºC.
Mökin kokonaishäviöihin vaikuttaa myös mökissä olevan ilmanvaihtokoneen aiheuttamat häviöt. Häviöt jokaiselle kuukaudelle tunnin tarkkuudella saadaan laskettua alla esitetyllä kaavalla (Knuutila 2019). Oletuksena mökin sisäilman on vaihduttava kokonaan kahdessa tunnissa.
𝑄IVK = 𝑐P ∙ 𝜌 ∙ 𝑞V,IVK∙ (1 − 𝜂) ∙ ∆𝑇17 (3.3) missä
𝑄IVK on ilmanvaihtokoneen aiheuttamat lämpöhäviöt, 𝑐P on ilman ominaislämpökapasiteetti, oletus 1010 J
K∗kg, ja 𝜌 on ilman tiheys, oletus 1,204kg
m3,
𝑞V,IVK on laskettu keskimääräinen ilmanvaihto,
𝜂 on ilmanvaihdon poistoilman lämmöntalteenotto vuosihyöty- suhde, oletus 0,75, ja
∆𝑇17 on lämpötilaero ilmanvaihtokoneen tuloilman, 17ºC, ja ulkoil- man välillä.
Mökin kokonaishäviöiden oletetaan olevan kaavojen (3.2) ja (3.3) summa 𝑄lämmitys.
𝑄lämmitys = 𝑄vaippa+ 𝑄IVK (3.4)
Seuraavaksi lasketaan ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila. Sisäkennon lämpötilaa tar- vitaan teoreettisen- ja todellisen COP -hyötysuhteen laskemiseen. Sisäkennon lämpötila saa- daan johdettua kaavasta (3.5).
𝑄lämmitys = 𝑞V,ILP∗ 𝑐P∗ 𝜌 ∗ (𝑇kenno− 𝑇sisä) (3.5)
missä
𝑄lämmitys on mökin lämmitystarve,
𝑞V,ILP on ilmalämpöpumpun puhaltama ilmavirta m3/s, 𝑇kenno on ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila (C), ja 𝑇sisä on mökin sisälämpötila (C).
Ilmalämpöpumpun teoreettinen COP -hyötysuhde voidaan nyt laskea, koska 𝑇kenno on nyt tiedossa.
𝐶𝑂𝑃 = 𝑇kenno
𝑇kenno−𝑇ulko (3.6)
missä
𝑇ulko on ulkolämpötila (K).
Ilmalämpöpumpun todellinen COP -hyötysuhde ei voi olla suurempi kuin teoreettinen COP -hyötysuhde. Todellisella COP -hyötysuhteella saadaan ilmalämpöpumpun kulutus myös paljon lähemmäksi todellisuutta verrattuna teoreettisella COP -hyötysuhteella laskettuihin arvoihin. Ilmalämpöpumpun todellinen COP saadaan kaavasta (3.7) (Knuutila 2019). Kaava on johdettu VTT Expert Servicen testausraportista (VTT Expert Services Oy, 2018).
𝐶𝑂𝑃ILP = 7,5125 ∗ 𝑒−0,028∗𝛥𝑇ken (3.7)
missä
𝐶𝑂𝑃ILP on ilmalämpöpumpun todellinen COP -hyötysuhde, ja 𝛥𝑇ken on lämpötilaero ilmalämpöpumpun sisäkennon ja ulkolämpö-
tilan välillä.
Kaavalla 3.8 saadaan laskettua ilmalämpöpumpun tarvitsema energia.
𝑄ILP = 𝑄lämmitys
𝐶𝑂𝑃ILP (3.8)
missä
𝑄ILP on ilmalämpöpumpun tarvitsema energia.
3.2 Aggregaatti
Mökkikylän on saatava sähköä jokaisena tuntina, ympäri vuoden. Kyseinen tavoite ei on- nistu taloudellisesti järkevällä tavalla pelkällä aurinkosähköllä, sillä talvisin auringon ener- giaa ei saada hyödynnettyä kulutuksen kattamiseksi järkevän kokoisilla aurinkoenergiajär- jestelmillä. Aurinkoisinakin kuukausina useamman päivän kestävät pilviset ajanjaksot ovat haittana omavaraiselle aurinkoenergian tuotannolle. Helpoin vaihtoehto sähköverkosta irral- laan olevalle mökkikylälle energiavajeen täyttämiseksi onkin siis aggregaatti. Aggregaatti käynnistyy silloin, kuin akusto on tyhjä. Aggregaatti tuottaa niin pitkään sähköä, kunnes aurinkopaneelit tuottavat sähköä saman verran, tai enemmän kuin mikä mökin kulutus on.
Tutkimuksessa on laskettu aggregaatin kWh hinta kaavalla (3.9).
𝐴𝑔h = 𝑓 ∗ 𝑝𝑎
𝑃ag ∗ 𝑡 (3.9)
missä
𝐴𝑔h on aggregaatin Kwh hinta, 𝑃ag on aggregaatin jatkuva teho kW, 𝑝𝑎 on polttoaineen hinta €/l,
𝑓 on tankin koko litroina, ja
t on käyntiaika.
3.3 Taloudellisuuslaskelma
Tutkimuksessa oleva mökkikylä pyritään sähköistämään mahdollisimman taloudellisesti off-grid -toteutuksena. Halvimman vaihtoehdon selvittämiseksi on tiedettävä hankintakus- tannukset ja käyttökustannukset. Hankintakustannukset koostuvat kustannuksista, jotka vaa- ditaan off-grid -järjestelmän toiminnan aloittamiseen. Näihin kustannuksiin kuuluvat aggre- gaatin, kennoston sekä akuston hinta. Käyttökustannuksiin kuuluu vain aggregaatin poltto- aine.
Taloudellisuuslaskelman hankintakustannuksissa pitää huomioida hankintojen eripituiset odotetut eliniät. On todennäköistä, että aurinkopaneelien käyttövuodet ovat moninkertaiset
verrattuna akkuihin. Aggregaatin ikä riippuu suurelta osin, kuinka säännöllisesti ja hyvin aggregaattia huoltaa. Aggregaatin käyttöolosuhteet sekä aggregaatin merkki vaikuttavat myös aggregaatin oletettuun käyttöikään.
Mökin sähkön tuottamisen hinta halutulle aika välille saadaan laskettua kaavalla (3.10).
𝐻tot= 𝑝c+ 𝑎 ∗ 𝐸ag.a∗ 𝑝𝑎 (3.10)
missä
𝐻tot on mökin sähköistämisen kokonaishinta halutulle aikavälille vuosina,
𝑎 on aika vuosina,
𝑝c on hankintakustannus, ja
𝐸ag.a on aggregaatin tuottama energia vuodessa.
4. TULOKSET
Tutkimuksen tulokset on saatu Excel-laskentaa hyväksikäyttäen. Excel on tehty juuri ky- seistä mökkikylää varten, ja se sisältää mökkikylän tiedot. Tiedot ovat muokattavissa, mikäli halutaan muuttaa mökkien ominaisuuksia. Excel -tiedostoja on kolme erilaista. On pie- nemälle 60m2 mökille, 80m2 hirsimökille, sekä tyhjä tiedosto, jossa laskenta on valmiina, mutta siihen täytyy lisätä haluamansa kulutusprofiili tulosten saamiseksi. Laskennassa on käytetty oletuksia laskennan yksinkertaistamiseksi. Oletukset kerrotaan tulosten yhteydessä.
4.1 Kulutusprofiili
Mökin kulutukseen vaikuttaa mökin lämmitys, käyttöveden lämmitys, valaistus, kodinko- neet sekä käyttäjän kulutustottumukset. Mökkien saunassa on puukiuas, jolloin saunan läm- mittäminen ei lisää sähkönkulutusta. Tutkimuksessa oletettiin jokaisen päivän olevan sisäl- löltään samanlainen.
Herätys tapahtuu klo 7:00, jonka jälkeen aletaan valmistamaan aamupalaa. Tällöin liesi on päällä 10 minuuttia, kahvinkeitin kahdeksan minuuttia ja leivänpaahdin kaksi minuuttia. Te- levisio on päällä kaksi tuntia. Saunaan mennään klo 9:00 ja tullaan sieltä pois klo 11:00.
Lounas nautitaan klo 11:00, jolloin käytetään mikroa kaksi minuuttia ja kahvinkeitintä kah- deksan minuuttia. Lämminvesivaraaja on päivällä päällä kolme tai kuusi tuntia riippuen mö- kin koosta. Päivällinen syödään klo 16:00, jolloin liesi on päällä 15 minuuttia ja uuni 45 minuuttia. Klo 17:00 mennään uudestaan saunaan. Saunominen kestää klo 19:00 asti, jolloin ruvetaan tekemään iltapalaa. Tällöin mikroaaltouuni on päällä kolme minuuttia, kahvinkeitin kahdeksan minuuttia ja leivänpaahdin kaksi minuuttia. Tiskikone on päällä valmistajan mu- kaisen standardiohjelman ajan 19:00-21:20. Televisiota katsotaan illalla vielä 20:00-23:00.
Nukkumaan käydään klo 23:00. Ilmalämpöpumppu on koko ajan päällä. Taulukosta 4.1 näh- dään esimerkki kulutusprofiilin ulkoasusta.
Taulukko 4.1. Esimerkki kulutusprofiilin sisällöstä. Kyseinen taulukko on pienemmän mökin tammikuun kulutusprofiili yhdeltä päivältä. Tammikuun kokonaiskulutus saadaan laskettua päivän ku- lutus kerrottuna 31:llä.
Mökkien valaistuksessa on tehty oletuksia, milloin mikäkin valo on päällä, ja milloin taas ei. Nukkuessa ja auringon laskettua pihavalot ovat päällä. Televisiota katsoessa olohuoneen ja eteisen valot ovat päällä. Keittiön valot ovat päällä, kun tehdään ruokaa, tai useampi keit- tiön laite on käytössä samanaikaisesti. Tunti ennen nukkumaan menoa, sekä tunti heräämi- sen jälkeen makuuhuoneen ja kylpyhuoneen valot ovat päällä.
TAMMIKUU kk. Kulutus 724,70 kw
Tunnit JääkaappipakastinLiesi Uuni Mikro KahvinkeitinLeivänpaahdinTiskikone TV Vesivaraajavalaistus Ilmalämpöpumppu Total
0:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 367,55 426,88
1:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 366,23 425,56
2:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 366,32 425,65
3:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 368,35 427,67
4:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 370,47 429,80
5:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 371,09 430,42
6:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 378,43 437,75
7:00 26,83 283,33 0,00 0,00 146,67 26,67 0,20 28,00 0,00 191,70 382,04 1085,43
8:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 28,00 0,00 86,00 379,33 520,35
9:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 30,00 373,77 431,09
10:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 30,00 368,44 425,76
11:00 26,83 0,00 0,00 26,67 146,67 0,00 0,20 0,30 0,00 39,60 364,47 604,73
12:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 3 000 0,00 361,85 3389,18
13:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 3 000 0,00 366,85 3394,17
14:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 3 000 0,00 369,23 3396,56
15:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 378,70 438,02
16:00 26,83 425,00 1 237,50 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 191,70 381,04 2262,57
17:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 62,00 384,40 473,73
18:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 62,00 378,61 467,93
19:00 26,83 0,00 0,00 40,00 146,67 26,67 295,41 0,30 0,00 71,60 380,68 988,15
20:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 295,41 28,00 0,00 86,00 376,90 813,13
21:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 98,47 28,00 0,00 86,00 379,33 618,62
22:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 28,00 0,00 191,70 378,61 625,33
23:00 26,83 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,20 0,30 0,00 32,00 379,51 438,83
Total d 643,84 708,33 1 237,50 66,67 440,00 53,33 693,49 145,70 9 000,00 1 416,30 8972,19 23377,35
4.2 Lämminvesivaraaja
Mökeissä on 3-vaiheinen lämminvesivaraaja, jonka teho on 3kW. Lämminvesivaraaja on päällä riippuen mökin koosta oletuksena yhden henkilön kuluttavan noin yhden MWh vuo- dessa veden lämmitykseen. Tästä saadaan päivää kohden pyöristettynä ylöspäin 3 kWh hen- kilöä kohden päivässä. 60m2 mökki on suunniteltu kolmelle hengelle, jolloin lämminvesiva- raaja on päällä kolme tuntia. 80m2 mökki on suunniteltu kuudelle hengelle, joten lämminve- sivaraaja on päällä kuusi tuntia.
Lämminvesivaraajan kulutus on asetettu osuvan mahdollisimman hyvin aurinkoisille kellon ajoille, jotta sähkön tuotanto olisi mahdollisimman suurta kyseisinä tunteina. Veden lämmit- täminen on suurin tehopiikki mökkien kulutuksessa. Pienemmissä mökeissä vettä lämmite- tään klo 12:00-15:00, ja suuremmissa hirsimökeissä klo 9:00-15:00.
4.3 Mökkien varustelu
Mökkien varustelu keskenään ei poikkea muuten kuin valaistuksen osalta. Veden lämmittä- misen ja ilmalämpöpumpun kulutuksessa on eroja, mutta laitteet ovat riittävät molempiin mökkeihin. Mökkien ero valaisimien osalta on lukumäärä. Suuremmissa mökeissä on enem- män valaisimia kuin pienemmissä, joten suuremmissa mökeissä on suurempi valaistuksen kulutus kuin pienemmissä.
Kummankin tyyppiset mökit sisältävät jääkaappipakastimen, lieden, uunin, mikroaaltouu- nin, kahvinkeittimen, leivänpaahtimen, tiskikoneen, television, lämminvesivaraajan sekä il- malämpöpumpun. Laitteet ovat tarkemmin luetteloituna liitteessä 1.
4.4 Aggregaatin kWh hinta
Tutkimuksessa käytetään dieselaggregaattia, sillä sen polttoainekustannukset ovat selvästi pienemmät kuin bensiinikäyttöisellä. Dieselin hinta on Tilastokeskuksen mukaan 1,4 euroa litralta, kun bensiinillä hinta olisi 1,52 euroa litralta (SVT 2019). Dieselaggregaatin käyttö- kustannuksia saadaan huomattavasti alemmaksi käyttämällä dieselin sijaan polttoöljyä, jonka hinta voidaan oletuksena olettaa olevan euron litralta.
Kummankin tyyppisissä mökeissä käytetään internetistä löytynyttä 1099 € maksavaa aggre- gaattia. Aggregaatin jatkuva teho on 5,5 kW. Aggregaatissa on 13,5 litran tankki, jolla ag- gregaatti käy kuusi tuntia. Näillä tiedoilla saadaan aggregaatin kWh -hinta kaavasta (3.9).
Dieselin ollessa polttoaineena kWh -hinnaksi tulee 0,5727 €. Polttoöljyn ollessa polttoaineen kWh -hinnaksi tulee 0,4091 €.
4.5 60m2 mökki
60m2 mökin vaipan pinta-ala saadaan kaavasta (3.1). Mökin korkeuden ollessa 3 metriä ja pinta-alan 60m2 vaipan pinta-alaksi saadaan noin 213m2.
4.5.1 Vaipan häviöt
Mökin vaipan aiheuttamat häviöt lasketaan kaavalla (3.2). Sisälämpötilan ja ulkolämpötilan erotus on saatu tunnin tarkkuudella ilmatieteenlaitokselta vuoden 2018 ulkolämpötila taulu- kon avulla. Tutkimuksessa olevia mökkejä ei olla vielä suunniteltu, eikä pohjapiirustuksia ole vielä piirretty. Tästä syystä oletus 60m2 mökin U-arvoksi on 0,2 W/(m2K). Taulukosta 4.2 on nähtävillä mökin vaipan aiheuttamat häviöt tunnin keskitehona.
Taulukko 4.2 60m2 vaipan aiheuttamat häviöt watteina U-arvolla 0,2.
Kello TammikuuHelmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu MarraskuuJoulukuu
00:00 1052,9 1357,4 1302,0 875,5 595,2 481,8 258,6 302,1 462,0 713,6 799,8 1066,7
01:00 1050,9 1363,3 1324,6 881,5 624,7 517,6 273,1 325,9 469,5 713,3 799,7 1068,9
02:00 1051,0 1371,4 1338,6 892,0 622,2 487,5 265,4 335,5 478,1 723,5 805,5 1071,8
03:00 1054,2 1377,0 1361,7 895,7 541,2 402,5 206,2 321,8 480,0 729,9 806,7 1073,4
04:00 1057,5 1378,7 1390,4 871,0 417,8 321,0 131,2 266,3 467,8 737,1 813,9 1078,1
05:00 1058,4 1385,7 1353,7 821,0 330,6 269,7 73,1 182,7 430,7 728,4 803,5 1080,8
06:00 1069,7 1393,9 1292,1 752,7 260,2 225,7 23,4 117,1 385,6 700,3 802,5 1084,7
07:00 1075,2 1364,4 1214,9 681,9 209,2 178,4 -20,2 60,5 337,3 650,5 796,9 1085,1
08:00 1071,1 1333,1 1138,5 639,7 165,4 149,9 -49,5 18,5 309,5 615,0 785,9 1086,3
09:00 1062,6 1287,1 1077,8 608,0 135,7 133,4 -67,6 -11,3 280,5 587,6 777,0 1077,7
10:00 1054,3 1249,9 1035,4 580,2 106,5 103,9 -97,7 -26,4 259,2 566,9 768,0 1071,2
11:00 1048,1 1220,7 1013,5 554,5 84,1 107,0 -106,9 -40,0 252,4 543,7 761,1 1068,6
12:00 1044,0 1205,5 1002,8 540,6 64,3 88,6 -129,1 -43,0 243,8 534,2 760,9 1066,1
13:00 1051,8 1202,4 998,9 537,1 62,0 99,1 -133,7 -47,3 240,2 536,9 763,1 1067,0
14:00 1055,6 1206,8 1005,7 540,8 62,0 100,1 -129,0 -24,6 247,9 552,8 769,9 1067,4
15:00 1070,1 1229,6 1025,9 562,8 77,6 108,2 -124,1 -12,6 269,6 592,7 776,7 1067,4
16:00 1073,7 1260,7 1068,7 594,6 99,9 138,9 -111,0 15,3 302,7 621,7 779,1 1065,0
17:00 1078,8 1289,7 1127,4 664,6 138,9 173,1 -73,6 64,8 357,9 641,6 782,7 1062,6
18:00 1070,0 1306,2 1171,6 747,7 235,5 205,3 -11,0 130,8 401,1 667,8 785,5 1062,7
19:00 1073,1 1320,9 1191,4 805,4 363,4 281,8 99,3 188,6 422,2 679,1 790,8 1065,4
20:00 1067,4 1339,2 1209,3 829,4 441,4 351,5 163,2 222,3 438,0 684,2 799,4 1067,8
21:00 1071,1 1344,3 1223,7 831,8 498,4 388,7 208,4 246,2 447,3 689,8 799,4 1066,7
22:00 1070,0 1357,9 1243,2 838,6 529,9 438,8 235,9 265,8 455,6 703,8 805,1 1064,8
23:00 1071,4 1366,7 1267,8 845,0 569,9 464,7 255,7 284,7 462,7 701,8 808,9 1065,3
4.5.2 Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöt
Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöt saadaan kaavalla (3.3). Mökin keskimääräinen ilmanvaihto saadaan oletuksesta, jossa sisäilman on vaihduttava kokonaan kahdessa tunnissa. Tällöin mökin keskimääräinen ilmanvaihto on 0,025m3/s. Lämmöntalteenotto hyötysuhde on ole- tuksena 75%. Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöt watteina on esitettynä taulukossa 4.3.
Taulukko 4.3. 60m2 mökin ilmanvaihtokoneen häviöt watteina kuukausittain tuntien keskiarvojen tarkkuu- della.
4.5.3 Kokonaislämpöhäviöt
Taulukosta 4.4 nähdään mökin lämpöhäviöt, johon kuuluvat mökin rakenteiden aiheuttamat häviöt sekä ilmanvaihtokoneen aiheuttamat häviöt.
Kello Tammikuu Helmikuu MaaliskuuHuhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu MarraskuuJoulukuu
00:00 165,1 219,4 209,5 133,4 83,4 63,2 23,3 31,1 59,6 104,5 119,9 167,5
01:00 164,7 220,5 213,6 134,5 88,7 69,6 25,9 35,4 61,0 104,5 119,9 167,9
02:00 164,8 221,9 216,1 136,4 88,2 64,2 24,6 37,1 62,5 106,3 120,9 168,5
03:00 165,3 222,9 220,2 137,0 73,8 49,0 14,0 34,6 62,9 107,5 121,1 168,8
04:00 165,9 223,2 225,3 132,6 51,8 34,5 0,6 24,7 60,7 108,7 122,4 169,6
05:00 166,1 224,5 218,8 123,7 36,2 25,3 -9,8 9,8 54,1 107,2 120,6 170,1
06:00 168,1 225,9 207,8 111,5 23,6 17,5 -18,6 -1,9 46,0 102,2 120,4 170,8
07:00 169,1 220,7 194,0 98,9 14,5 9,0 -26,4 -12,0 37,4 93,3 119,4 170,8
08:00 168,3 215,1 180,4 91,4 6,7 4,0 -31,6 -19,5 32,4 86,9 117,4 171,1
09:00 166,8 206,9 169,5 85,7 1,4 1,0 -34,9 -24,8 27,3 82,1 115,9 169,5
10:00 165,3 200,2 162,0 80,7 -3,8 -4,3 -40,2 -27,5 23,5 78,4 114,3 168,4
11:00 164,2 195,0 158,1 76,2 -7,8 -3,7 -41,9 -29,9 22,2 74,2 113,0 167,9
12:00 163,5 192,3 156,1 73,7 -11,3 -7,0 -45,8 -30,5 20,7 72,5 113,0 167,5
13:00 164,9 191,8 155,5 73,0 -11,7 -5,1 -46,7 -31,2 20,1 73,0 113,4 167,6
14:00 165,6 192,6 156,7 73,7 -11,7 -4,9 -45,8 -27,2 21,4 75,9 114,6 167,7
15:00 168,2 196,6 160,3 77,6 -8,9 -3,5 -44,9 -25,1 25,3 83,0 115,8 167,7
16:00 168,8 202,2 167,9 83,3 -5,0 2,0 -42,6 -20,1 31,2 88,1 116,2 167,3
17:00 169,7 207,4 178,4 95,8 2,0 8,1 -35,9 -11,2 41,1 91,7 116,9 166,8
18:00 168,1 210,3 186,3 110,6 19,2 13,8 -24,8 0,5 48,8 96,4 117,4 166,8
19:00 168,7 212,9 189,8 120,9 42,0 27,5 -5,1 10,9 52,5 98,4 118,3 167,3
20:00 167,7 216,2 193,0 125,2 56,0 39,9 6,3 16,9 55,4 99,3 119,9 167,7
21:00 168,3 217,1 195,6 125,6 66,1 46,6 14,4 21,1 57,0 100,3 119,9 167,5
22:00 168,1 219,5 199,1 126,8 71,8 55,5 19,3 24,6 58,5 102,8 120,9 167,2
23:00 168,4 221,1 203,4 128,0 78,9 60,1 22,8 28,0 59,8 102,4 121,6 167,3
Taulukko 4.4. Mökin häviöt watteina kuukausittain tuntien keskiarvojen tarkkuudella.
Taulukosta 4.4 havaitaan häviöiden olevan suurimpia hetkinä, jolloin lämpötilaero on suu- rin. Negatiivisina näkyvät arvot kertovat tilanteesta, jolloin ulkolämpötila on suurempi kuin mökin sisälämpötila
Kuva 4.1 Kokonaishäviöiden koostumus pylväskaaviona. Tutkimuksessa olevien mökkien kokonais- häviöt koostuvat ilmanvaihtokoneen- ja rakennuksen vaipan lämpöhäviöistä.
Ilmanvaihtokoneen lämpöhäviöiden osuus kokonaishäviöistä on talvella noin 13,5%.
Kello Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu
00:00 1218,0 1576,8 1511,6 1009,0 678,6 545,0 281,9 333,2 521,6 818,1 919,8 1234,2
01:00 1215,6 1583,8 1538,1 1016,0 713,4 587,2 299,1 361,2 530,5 817,8 919,6 1236,8
02:00 1215,8 1593,3 1554,6 1028,4 710,5 551,7 290,0 372,6 540,7 829,8 926,5 1240,2
03:00 1219,5 1600,0 1581,8 1032,7 614,9 451,5 220,2 356,4 542,8 837,4 927,8 1242,2
04:00 1223,4 1601,9 1615,7 1003,6 469,6 355,4 131,8 291,0 528,5 845,8 936,3 1247,7
05:00 1224,5 1610,2 1572,4 944,7 366,7 295,0 63,3 192,5 484,8 835,6 924,1 1250,9
06:00 1237,8 1619,9 1499,9 864,2 283,8 243,2 4,7 115,1 431,6 802,4 923,0 1255,4
07:00 1244,3 1585,1 1408,9 780,8 223,8 187,4 -46,6 48,4 374,7 743,8 916,3 1255,9
08:00 1239,4 1548,2 1318,9 731,1 172,1 153,9 -81,1 -0,9 341,9 702,0 903,4 1257,4
09:00 1229,4 1494,0 1247,3 693,8 137,2 134,5 -102,5 -36,1 307,8 669,7 892,8 1247,2
10:00 1219,7 1450,1 1197,3 661,0 102,7 99,7 -137,9 -53,9 282,7 645,2 882,3 1239,6
11:00 1212,4 1415,7 1171,6 630,7 76,3 103,3 -148,8 -69,9 274,7 618,0 874,1 1236,5
12:00 1207,5 1397,8 1158,9 614,3 53,0 81,6 -175,0 -73,5 264,5 606,7 873,9 1233,6
13:00 1216,7 1394,2 1154,4 610,1 50,2 94,0 -180,3 -78,5 260,3 609,9 876,4 1234,6
14:00 1221,1 1399,4 1162,3 614,5 50,2 95,1 -174,8 -51,8 269,3 628,7 884,5 1235,0
15:00 1238,3 1426,3 1186,1 640,4 68,7 104,7 -169,0 -37,7 294,9 675,7 892,5 1235,0
16:00 1242,5 1462,8 1236,7 677,9 94,9 140,9 -153,6 -4,8 333,9 709,8 895,4 1232,3
17:00 1248,5 1497,1 1305,8 760,3 140,9 181,2 -109,6 53,6 399,0 733,3 899,5 1229,4
18:00 1238,1 1516,4 1357,9 858,4 254,7 219,1 -35,8 131,3 449,8 764,2 902,9 1229,5
19:00 1241,8 1533,8 1381,2 926,3 405,4 309,2 94,3 199,5 474,8 777,5 909,1 1232,8
20:00 1235,0 1555,3 1402,3 954,6 497,4 391,5 169,5 239,2 493,3 783,5 919,3 1235,5
21:00 1239,4 1561,4 1419,3 957,4 564,6 435,3 222,8 267,3 504,4 790,1 919,3 1234,2
22:00 1238,1 1577,4 1442,3 965,5 601,7 494,4 255,2 290,5 514,1 806,6 926,0 1232,0
23:00 1239,7 1587,8 1471,3 973,0 648,8 524,9 278,5 312,7 522,4 804,2 930,5 1232,6
Kokonais häviöt Vaippa häviöt IVK. häviöt
4.5.4 Ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila
Ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila 𝑇kenno saadaan laskettua kaavasta (3.5), jossa mö- kin keskimääräinen ilmanvaihto on 0,222 m3/s, eli 800 m3/h, joka on lähes maksimipuhallus ilmavirta utkimuksessa käytetylle ilmalämpöpumpulle (Innoair 2019). Mökin sisälämpötila on 20 ºC. Sisäkennon lämpötila celsiusasteina nähdään taulukosta 4.5.
Taulukko 4.5 Ilmalämpöpumpun sisäkennon lämpötila. Pallon ollessa vihreä sisäkennon lämpötila on vii- leämpi kuin mökin sisälämpötila
4.5.5 Ilmalämpöpumpun COP -hyötysuhde
Kaavalla (3.7) saadaan tutkimuksessa käytetyn ilmalämpöpumpun COP -hyötysuhde 60m2 mökissä. Tulokset taulukosta 4.6.
Taulukko 4.6 60m2 mökin ilmalämpöpumpun todellinen COP -hyötysuhde.
4.5.6 Ilmalämpöpumpun tarvitsema energia
Kaavalla (3.8) saadaan laskettua ilmalämpöpumpun tarvitsema energia. Tulokset taulukosta 4.7.
Taulukko 4.7 Ilmalämpöpumpun mökin lämmittämiseen tarvitsema energia.
Kuva 4.2 Ilmalämpöpumpun kulutus tunnin ajalta neljänä eri kellon aikana ympäri vuoden 60m2 mö- kissä.
0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0
00:00 06:00 12:00 18:00
W
Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu
Kuvasta 4.2 huomataan ilmalämpöpumpun kulutuksen moninkertaistuminen kesäkuukau- sien ja talvikuukausien välillä. Yötä ja päivää vertaillessa kulutus voi olla öisin kaksinker- tainen päivään verrattuna, johtuen ulkolämpötilan olevan öisin kylmempi kuin päivisin.
4.5.7 Taloudellisuuslaskelma
Mökin sähkön tuottamisen hinta halutulle aikavälille saadaan kaavalla (3.10). Halvin vaih- toehto saadaan selville, kun lasketaan hankintakustannukset erikokoisilla akustoilla ja ken- noilla, sekä näiden vaikutus aggregaatin käyttökustannuksiin. Tutkimuksessa on oletettu akuston ja aggregaatin kestävän 10 vuotta ja aurinkokennojen puolestaan 30 vuotta. Mökin sähköistämisen kokonaishinta on laskettu 10 vuoden ajalta, joten kennoston hankintahinta voidaan olettaa kolmannesosaksi todellisesta hankintahinnasta.
Kennoston ja akuston kokojen muuttaminen vaikuttaa suoranaisesti hankintahintaan, mutta myös käyttökustannuksiin, sillä eri kokoiset kennostot ja akustot vaikuttavat aggregaatin käyttömäärään. Aurinkovoimalan koon suhde aggregaatin tuottamaan vuotuiseen energiaan on havainnollistettuna kuvassa 4.3.
Kuva 4.3 Aggregaatin tuottama energia 60m2 mökille erikokoisilla kennostoilla ja akustoilla.
0,00 1 000,00 2 000,00 3 000,00 4 000,00 5 000,00 6 000,00 7 000,00
1 2 3 4 5 10 15 20
Aggregaatin tuottama energia vuodessa kWh
Akku kWh
Voimala 1kW Voimala 5 kW Voimala 10kW Voimala 15kW Voimala 20kW
Kuvassa 4.3 huomataan kennoston ja akuston kasvattamisen tiputtavan aggregaatin käyttöä.
Kennoston koon kasvattaminen yhdestä kilowatista kymmeneen kilowattiin vähentää aggre- gaatin käyttöä huomattavasti. Tämän jälkeen kennoston koon kasvattaminen ei vähennä ag- gregaatin käyttöä suhteellisesti yhtä paljoa. Akuston koon kasvattaminen vähentää tasaisesti aggregaatin käyttömäärää. Pieniä akustoja kasvattaessa aggregaatin käyttö vähenee enem- män, kuin isompien akustojen kasvattaminen vieläkin suuremmaksi.
Taloudellisinta vaihtoehtoa selvittäessä aggregaatin polttoaineena käytetään polttoöljyä.
Taulukossa 4.8 on esitetty eri järjestelmien kymmenen vuoden hinnat, jotka on laskettu kaa- valla (3.10).
Taulukko 4.8 Kokonaiskustannukset kymmenelle vuodelle.
Taulukossa 4.8 vaakarivillä on kennoston koko yksikössä kW ja pystyakselilla akuston koko yksikössä kWh. Taulukossa on käytetty Excelin laskelmointia hyödyksi, jolloin saadaan haa- rukoitua halvin vaihtoehto ja sen hinta. Tutkimuksen 60m2 mökin taloudellisemmaksi vaih- toehdoksi saadaan 11 kW kennosto ja 4 kWh akusto. Tällöin 10 vuoden kokonaiskustannuk- set ovat 17 647 €, jolloin 10 vuoden ajan aurinkosähkön hinta on 0,129 €/kWh. Kyseisellä järjestelmällä energian tuotanto jakautuu kuvan 4.4 mukaisesti
Kok. Kustannukset 10:lle vuodelle PÖ €
Akku kWh|Voimala kW 1 5 10 11 12 13 14 15 20
1 27018 20431 18714 18695 18720 18781 18868 18975 19776 2 27518 19762 18027 17991 18012 18075 18156 18262 19068 3 28018 19593 17770 17720 17730 17783 17856 17954 18745 4 28518 19627 17710 17647 17649 17685 17750 17849 18600 5 29018 19805 17767 17703 17689 17718 17776 17865 18587 6 29518
7 30018 8 30518 9 31018
10 31518 21706 19172 18920 19448
15 34018 23993 21328 20865 21338
20 36518 26350 23630 23086 23516
Kuva 4.4 60m2 mökin energian tuotantomuotojen osuus kokonaiskulutuksesta.
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00 900,00
kWh
Aggregaatti Kulutus Aurinko
4.6 80m2 mökki
80m2 mökin vaipan pinta-ala saadaan kaavasta (3.1). Mökin korkeuden ollessa 3 metriä ja pinta-alan 80m2, vaipan pinta-alaksi saadaan noin 267 m2.
4.6.1 Vaipan häviöt
Mökin vaipan aiheuttamat häviöt lasketaan kaavalla (3.2). Sisälämpötilan ja ulkolämpötilan erotus on saatu tunnin tarkkuudella ilmatieteenlaitokselta vuoden 2018 ulkolämpötila taulu- kon avulla. Tutkimuksessa olevia mökkejä ei olla vielä suunniteltu, eikä pohjapiirustuksia ole vielä piirretty. Tästä syystä oletus 80m2 mökin U-arvoksi on 0,3 W/(m2K). Taulukosta 4.9 on nähtävillä mökin vaipan aiheuttamat häviöt tunnin keskitehona.
Taulukko 4.9 80m2 vaipan aiheuttamat häviöt watteina U-arvolla 0,3.
