Santeri Hirvi
ENERGIAPAALU LÄMPÖPUMPUN LÄMMÖNKERUUN VAIHTOEHTONA
TEKNISTALOUDELLINEN VERTAILU
Kandidaatintyö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Tarkastaja: Tero Joronen
10.12.2021
TIIVISTELMÄ
Santeri Hirvi: Energiapaalu lämpöpumpun lämmönkeruun vaihtoehtona: teknistaloudellinen vertailu
Energy piles as heat exchanger in heat pumps: techno-economic comparison Kandidaatintyö
Tampereen yliopisto
Tekniikan ja luonnontieteiden TkK-tutkinto-ohjelma, ympäristö- ja energiatekniikka Lokakuu 2021
Suomella on tulevaisuuteen asetetut tiukat hiilineutraaliustavoitteet. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi, myös rakennusten lämmitys täytyy saada hiilineutraaliksi. Vielä vuonna 2018, lähes joka kuudes omakotitalo lämmitettiin öljyllä. Lämpöpumpuissa on potentiaa- lia korvaamaan rakennusten lämmitys ratkaisuja ympäristöystävällisemmiksi. Tässä työssä perehdytään lämpöpumppujen teoriaan ja eri lämmönkeruupiirien ominaisuuksiin.
Lisäksi tutkitaan lämpöpumppujen kustannustehokkuutta teknistaloudellisen analyysin avulla. Teknistaloudellisen analyysin pohjalta tarkastellaan tilanteita, jolloin suorasähkö- lämmitys tai öljylämmitys korvataan lämpöpumpulla. Lisäksi tutkitaan, kuinka rakennuk- sen energiatehokkuus vaikuttaa lämpöpumpun kustannustehokkuuteen.
Lämpöpumput tarvitsevat toimiakseen lämmönkeruupiiriltä tulevan lämpöenergian, sekä sähkökompressorin. Lämpöpumpun energiatehokkuutta kuvaava yksikkö on lämpöker- roin. Lämpökerroin on lämpöpumpun tuottaman lämpöenergian suhde, sen käyttämään sähköenergiaan nähden. Ollakseen hiilineutraali lämmitysratkaisu, lämpöpumpun käyt- tämän sähkön tulee olla hiilineutraalisti tuotettua.
Laskennassa tarkastellaan neljää eri lämpöpumppuyksikköä, kolmessa eri energiate- hokkuudeltaan eroavassa talotyypissä. Lämpöpumpuista vertailussa ovat energiapaalu, lämpökaivo, ilmalämpöpumppu ja ilma-vesilämpöpumppu. Energiatehokkuudeltaan eroavat talotyypit ovat tavallinen pientalo, matalaenergiatalo ja passiivitalo. Laskennassa keskitytään vertailemaan lämpöpumppuja sijoituksina taloudellisesta näkökulmasta. Tu- loksista havaitaan, että kaikista energiatehokkaimmissa taloissa jäädään lämpöpumpun elinkaaren jälkeen jopa 5000 euroa tappiolle. Kun taas heikomman energiatehokkuuden taloissa voidaan saavuttaa jopa 60 000 euron hyöty lämmityskustannusten alenemisen kautta.
Lämpöpumppujen hankintakustannukset, lukuun ottamatta ilmalämpöpumppua, nouse- vat reilusti yli 10 000 euroon. Saatujen laskentatulosten pohjalta voidaan todeta, että varsinkin kaikista energiatehokkaimmissa taloissa, kymmenen tuhannen euron sijoitus ei kerkeä lämpöpumpun elinkaaren aikana maksamaan itseään takaisin lämmityskus- tannusten alenemisen muodossa.
Avainsanat: energiapaalu, lämpöpumppu, maalämpö, teknistaloudellinen vertailu Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
2.LÄMPÖPUMPPU ... 3
2.1 Lämpöpumpun historiaa ... 3
2.2 Lämpöpumpun kiertoprosessi ... 4
2.3 Lämpökerroin ... 6
2.4 Kausihyötysuhde ... 7
3.LÄMMÖNKERUUPIIRI ... 9
3.1 Maalämpö ... 9
3.1.1Energiapaalut ... 12
3.1.2Lämpökaivo ... 14
3.1.3Maapiiri ... 15
3.1.4Vesistö ... 16
3.2 Ilmalämpöpumppu ... 16
4.TEKNISTALOUDELLINEN TARKASTELU ... 18
4.1 Teknistaloudellisen tarkastelun teoria ... 18
4.1.1Lämpöpumppujen mitoitus ... 18
4.1.2Takaisinmaksuaika ja nettonykyarvo ... 19
4.2 Laskuissa käytettävät vakioarvot ... 20
4.3 Laskennan tulokset ... 22
5.TULOKSET JA PÄÄTELMÄT ... 26
6. YHTEENVETO ... 27
LÄHTEET ... 28
1. JOHDANTO
Keskustelu ilmastonmuutoksesta ja sen vaikutuksista näkyy yhteiskunnan joka osa-alu- eella. Suomen uusimmassa hallitusohjelmassa on asetettu tavoitteeksi, että Suomi olisi hiilineutraali valtio vuoteen 2035 mennessä. Yhtenä keinona tavoitteen saavuttamiseksi on listattu lähes päästötön sähkön- ja lämmöntuotanto 2030-luvun loppuun mennessä.
[1]
Tilastokeskuksen tietojen mukaan vuonna 2020 Suomessa energian kokonaiskulutus oli 1,28 miljoonaa terajoulea. Tästä rakennusten lämmitykseen kulunut osuus oli 26 pro- senttia eli noin 333 000 terajoulea. [2] Tilastokeskuksen 2018 julkaisemien tietojen mu- kaan noin 15 %:sta omakoti- ja paritaloista ensisijaisesti käytetään öljykattilaa. Rivita- loissa osuus on noin 5 %. [3] Tästä syystä pientalojen omistajia kannustetaan valtakun- nallisella tasolla luopumaan öljylämmityksestä mahdollisimman nopeasti. Ympäristömi- nisteriön tietojen mukaan pientalon omistajan on 2022 vuoden loppuun asti mahdollista saada 4000 euroa avustusta, kun öljylämmitys vaihdetaan ympäristöystävällisempään kaukolämpöön, maalämpöön tai ilma-vesilämpöpumppuun. [4]
Edellä mainittujen syiden johdosta lämpöpumppujen määrä on moninkertaistunut 2000- luvulla. Tilastokeskuksen tietojen mukaan ilmalämpöpumppujen lukumäärä on jopa 150- kertaistunut 2000-luvun alusta. Vuonna 2018 ilmalämpöpumppuja oli noin 500 000 ja maalämpöpumppuja reilu 100 000. [3] Voidaankin todeta, että lämpöpumppujen käyttö ja merkitys rakennusten lämmityksessä on 2000-luvun aikana kasvanut huomattavasti ja tulevaisuudessa merkitys ei ole ainakaan laskemassa.
Tässä työssä selvitetään neljän eri lämpöpumppujärjestelmän energiatehokkuus ja ver- taillaan tuloksia keskenään. Vertailtavana ovat maalämpöpumppu kytkettynä energia- paaluun ja lämpökaivoon, sekä ilmalämpöpumppu ja ilma-vesilämpöpumppu. Lämpö- pumppujen vertailu suoritetaan kolmenlaisessa talotyypissä, jotka eroavat toisistaan energiatehokkuudessa: tavallinen pientalo, matalaenergiatalo ja passiivitalo. Vertailu suoritetaan teknistaloudellisen analyysin avulla, jossa lämpöpumpuilla saatavaa talou- dellista hyötyä verrataan suhteessa sähkölämmitykseen ja öljylämmitykseen. Tutkimus- kysymykset, joihin selvitetään vastausta ovat:
• Miten lämpöpumpun energiatehokkuutta voidaan mitata ja mallintaa?
• Missä tilanteissa lämpöpumpun hankinta on taloudellisesti järkevää?
• Mikä vertailussa olevista lämpöpumpuista on taloudellisesti paras sijoitus erilai- silla talotyypeillä?
Johdannon jälkeen toisessa luvussa käsitellään lämpöpumppujen historiaa ja teoriaa.
Teoriaosuudessa johdetaan kaava, jonka perusteella voidaan käsitellä tämän työn tär- keintä yksittäistä suuretta, lämpökerrointa. Kolmannessa luvussa käydään läpi maaläm- pöä ja ilmalämpöä lämmönlähteinä. Lisäksi maalämmön osalta perehdytään erilaisiin sovelluksiin maalämmön hyödyntämiseksi. Neljännessä luvussa on työn laskentaosuus, jossa verrataan lämpöpumppuja teknistaloudellisen analyysin avulla. Lopuksi vielä käy- dään läpi tulokset, sekä mahdolliset päätelmät. Viimeisessä luvussa pohditaan, löydet- tiinkö tutkimuskysymyksiin vastaukset sekä ideoidaan mahdollisia jatkotutkimuksia.
2. LÄMPÖPUMPPU
Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan lämmön spontaani siirtyminen tapahtuu aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan [5, s. 55]. Vastaavasti lämpöpumpun tar- koitus on siirtää lämpöä matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jotta tämä olisi mah- dollista, prosessiin täytyy tuoda työn avulla energiaa [5, s. 87]. Lämmönsiirtyminen on havainnollistettu kuvassa 1.
Kuva 1. Havainnollistava kuva lämmönsiirtymisestä lämpöpumpussa, mukaillen [5, s. 88].
Tässä työssä käsitellään lämpöpumppuja, jotka on suunniteltu rakennusten lämmittämi- seen. Rakennusten lämmittämiseen käytettävät yleisimmät lämmönlähteet ovat ilma ja maa. Tällaisista lämpöpumpuista puhuttaessa vakiintuneiksi termeiksi ovat muodostu- neet ilmalämpöpumppu ja maalämpöpumppu. Lämpöpumpun tehokkuuden kannalta merkittävin tekijä on höyrystimessä ja lauhduttimessa kiertävien kylmäaineiden lämpöti- lojen ero. Tästä syystä optimaalisin lämmönlähde on sellainen, joka säilyttää mahdolli- simman korkean lämpötilan koko lämmityskauden ajan.
2.1 Lämpöpumpun historiaa
Teoria lämpöpumppujen taustalla on ymmärretty jo 1800-luvun alussa, kun Nicolas Car- not loi teorian lämmön ja työn suhteesta. Tuolloin sai alkunsa tässä työssä käsiteltävä Carnot’n kiertoprosessi. Vuonna 1850 Rudolf Clausius julkaisi teorian, joka pohjautui Carnot’n luomaan ideaan lämmön ja työn suhteesta. Tämän seurauksena syntyivät en- simmäiset ideat termodynamiikan toisesta pääsäännöstä ja käsitteestä entropia. [6, s. 8]
TH = lämpötila (kuuma) QH = lämpömäärä (kuuma) R = kompressori
W = työ
QL = lämpömäärä (kylmä) TL = lämpötila (kylmä)
Nykytiedon mukaan ensimmäinen lämpöpumppu suunniteltiin ja otettiin käyttöön vuonna 1857 Itävallassa ja sen loi itävaltalainen insinööri Peter von Rittinger. Vuonna 1912 itä- valtalainen Heinrich Zoelly haki ensimmäisenä maailmassa patenttia maalämpöpum- pulle. Tuolloin idea jäi kuitenkin vielä patentin tasolle, koska olemassa oleva teknologia ei mahdollistanut maalämpöpumpun rakentamista todellisuudessa. [6, s. 13]
Öljyn hinnanmuutokset ovat olleet merkittävässä roolissa lämpöpumppujen kehityksen kannalta. 1950 ja -60 luvuilla lämpöpumppujen kehityskaari laski samassa suhteessa öljyn hinnan kanssa [6, s. 37]. 1970-luvun öljykriisiä seurasi tarve muiden energiaratkai- sujen kehittymiselle, joihin lämpöpumput tarjosivat mahdollisen ratkaisun. [6, s. 42] Ki- ristyneiden päästörajoitusten takia lämpöpumppujen todellinen läpimurto tapahtui 1990- luvulla ja se jatkuu edelleen. [6]
2.2 Lämpöpumpun kiertoprosessi
Lämpöpumpun toiminnan kannalta neljä tärkeintä komponenttia on esitetty kuvassa 2.
Ne ovat höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili.
Kuva 2. Lämpöpumpun yksinkertaistettu kiertoprosessi, mukaillen [5, s. 216].
Kylmäaine, joka lämpöpumpuissa on yleensä osittain halogenoitua hiilivetyä [7], kiertää näiden komponenttien läpi. Prosessin aikana kylmäaineen olomuoto, paine ja sisäener- gia muuttuvat. Lämpöpumpun toiminta ja hyötysuhde perustuvat näiden muutoksien te- hokkuuteen. Lämpöpumpun toiminta perustuu käänteiseen Clausius-Rankine-proses- siin, jonka T,s-kuvaaja on esitetty kuvassa 3. [8, s. 351] Kuvan 3 tapaan, prosessin kul- kua on tapana havainnollistaa lämpötilan muutoksena entropian funktiona. Kuvassa
oleva paraabelimainen käyrä hahmottelee kylmäaineen ominaiskäyrää, jossa vasen kylki on kylläisen nesteen raja ja oikea kylki kylläisen höyryn raja [8, s. 70–71].
Kuva 3. Käänteinen Clausius-Rankine-prosessi T, s-kuvaajassa, mukaillen [5, s.
216].
Kuvassa 3 käänteisen Clausius-Rankine prosessin teoreettiset vaiheet on kuvattu kat- koviivoin, sekä numeroin 1’, 2’, 3 ja 4’. Todellinen prosessi on numeroitu 1–5. Vaiheissa 1’–2’, höyrystimessä lämmennyt kaasu puristetaan kompressorissa korkeaan painee- seen. Tämän seurauksena kaasun sisäenergia kasvaa ja lämpötila nousee. Vaiheessa 2’–3, puristettu kaasu johdetaan lauhduttimeen. Kasvaneen paineen ansiosta höyry lauhtuu korkeammassa lämpötilassa, kuin se höyrystyi. Tämän seurauksena kaasun lämpöenergia siirtyy lämmönjakopiiriin, jolloin kaasu jäähtyy sekä tiivistyy. Vaiheessa 3–
4’, nestemäiseksi lauhtunut kylmäaine siirtyy paisuntaventtiiliin. Paisuntaventtiilissä nes- teen paine laskee höyrystyksen vaatimalle tasolle ja se muuttuu kosteaksi höyryksi. Pro- sessin viimeisessä vaiheessa 4’–1’, paisunut kostea höyry kulkee höyrystimen läpi. Höy- rystimessä kylmäaine sitoo itseensä lämmönkeruupiiristä saatavan lämpöenergian ja prosessi alkaa alusta
.
[8, s. 68–69]Todellisessa lämpöpumpun kiertoprosessissa syntyy häviöitä ideaaliseen Clausius-Ran- kine-prosessiin verrattuna. Todellisuudessa puristus- ja paisuntaprosessit eivät ole ide- aalisia, jolloin lämpöä haihtuu ympäristöön. Kuvassa 3 nämä vaiheet on merkattu nume- roin 1–2 ja 4–5. Muita häviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat painehäviöt, höyryn lämpötila muutokset ja kylläisen höyryn tulistuminen. Tulistuminen aiheuttaa kuvassa 3 vaiheiden
1 ja 1’ välisen eron. Tulistuessaan höyryn lämpötila kohoaa tietyssä paineessa kylläistä höyryä korkeammaksi. [8, s. 70–71]
2.3 Lämpökerroin
Lämpöpumpun tehokkuutta mittaa parhaiten lämpökerroin, COP (Coefficient Of Perfor- mance). Lämpökerroin on suhde lämpöpumpun luovuttaman lämpöenergian ja proses- sissa tarvittavaan työn välillä. [8, s. 70–71]
Määriteltäessä lämpökerrointa, tarkastellaan lämpöpumpun toimintaa Carnot-prosessin kautta. Carnot-prosessi on ideaalikiertoprosessi, joka on aiemmin käsiteltyä Clausius- Rankine-prosessia yksinkertaistetumpi. Carnot-prosessi jaetaan neljään vaiheeseen.
Vaiheet ovat: 1–2 isentrooppinen puristus, 2–3 isoterminen lämmön luovutus, 3–4 isentrooppinen paisunta ja 4–1 isoterminen lämmön tuonti. Isentrooppisessa proses- sissa entropia pysyy vakiona ja isotermisessä prosessissa lämpötila pysyy vakiona. Ku- vassa 4 on esitetty Carnot-prosessi T, s-kuvaajassa, johon on merkattu vaiheet 1–4. [8, s. 25]
Kuva 4. Carnot-prosessi T, s-kuvaajassa, mukaillen [5, s. 158].
Kuvan 4 mukaisesti, prosessista saatu lämpö Q2 on
𝑄
2= 𝑄
1+ 𝑊
, (1)jossa 𝑄2 on prosessista saatu lämpö [J], 𝑄1 on prosessiin tuotu lämpö [J] ja W on pro- sessiin tehty työ [J] [8, s. 25]. Carnot-prosessissa lämpömäärät ja lämpötilat ovat suo- raan verrannollisia kaavan 2 mukaisesti
𝑄1 𝑄2=𝑇1
𝑇2, (2)
jossa Q1 ja Q2 ovat kuten kaavassa (1), T1 on höyrystimessä tapahtuva lauhtumislämpö- tila [K] ja T2 on lauhduttimessa tapahtuva höyrystymislämpötila [K]. Ratkaistaan kaavasta (1) tehty työ ja liitetään siihen kaava (2). Tällöin saadaan tehdylle työlle
𝑊 =𝑇2𝑇−𝑇1
2 𝑄2= (1 −𝑇𝑇1
2)𝑄2. (3)
Kaavasta (3) voidaan yksiselitteisesti todeta, että prosessista saatu lämpö on suurempi kuin prosessiin tehty työ. Kaavasta myös nähdään, että lämpökerroin, eli saadun lämpö- määrän ja tehdyn työn suhde, on riippuvainen lämpötilojen T2 ja T1 välisestä erosta. Car- not-prosessin hyötysuhde on
𝜂
𝐶=
𝑄2𝑊
.
(4)Tarvittaessa hyötysuhde saadaan myös lämpötilojen avulla, jolloin 𝜂𝐶 = 𝑇2
𝑇2−𝑇1. (5)
Carnot-prosessille laskettu hyötysuhde ei ole suoraan verrattavissa lämpöpumppujen lämpökertoimien kanssa. Se antaa kuitenkin pohjan sille, että merkittävin muuttuja läm- pöpumppujen lämpökertoimia laskettaessa on kylmäaineen lämpötilaerot lauhdutti- messa ja höyrystimessä. Kuten luvun alussa jo mainittiin, yleisesti lämpöpumppujen läm- pökertoimesta käytetään termiä COP, joka saadaan
𝐶𝑂𝑃 =𝑊𝑄𝑠𝑎𝑎𝑡𝑢
𝑘+𝑊𝑎𝑝𝑢, (6)
jossa Q on saatu lämpömäärä [J] ja Wk on kompressorin tekemä työ [J] sekä Wapu on apulaitteiden tekemä työ [J]. [8, s. 350] Suomen olosuhteissa hyvänä COP arvoa ilma- lämpöpumpulle voidaan pitää 1,5–2,5 ja maalämpöpumpulle 3–4.
2.4 Kausihyötysuhde
Lämpöpumppujen tekemä työ tehdään pääsääntöisesti sähköenergian avulla. Lämpö- pumppujen sähkönkulutusta ja lämpökertoimia on hyödyllisempää vertailla, kun tarkas- telujaksona on esimerkiksi yksi vuosi. Tällöin käytetään termiä kausihyötysuhde, SCOP
(Seasonal Coefficient of Performance). Se kuvaa tarkastelu kauden keskimääräistä läm- pökerrointa. [9] SCOP saadaan laskettua
𝑆𝐶𝑂𝑃 =∑ 𝑄∑ 𝐸𝑙𝑝, (7)
jossa ∑ 𝑄𝑙𝑝 on lämpöpumpun tuottama lämpömäärä tarkastelujakson aikana ja ∑ 𝐸 on lämpöpumpun kokonaissähkönkulutus tarkastelujakson aikana. SCOP-luku on hyödylli- nen analysoitaessa järjestelmän kannattavuutta, sillä se ottaa huomioon lämpöpumpun lämpökertoimen myös kovimmilla pakkasilla. [9]
3. LÄMMÖNKERUUPIIRI
Lämmönkeruupiiri tarkoittaa lämpöpumpun sisältävissä lämmitysjärjestelmissä kokonai- suutta, joka kerää ja siirtää lämpöenergian lämmönlähteestä lämpöpumpun prosessoi- tavaksi. Lämmönlähteitä ovat muun muassa maa, ilma, vesistöt ja aurinko. Lämmönke- ruupiiri on tyypillisesti suljettu kierto [10, s. 9], jossa kiertoaineena käytetään veden ja yleisimmin etanolin muodostamaa liuosta jäätymisen estämiseksi [10, s. 46]. Vanhoissa järjestelmissä on käytetty myös erilaisia glykoli yhdisteitä, mutta näistä on luovuttu niiden myrkyllisyyden takia [10, s. 46]. Keruupiiri voi olla myös avoin. Tällaisissa järjestelmissä piirissä kiertävä vesi kerätään, joko kaivon avulla pohjavedestä, tai suoraan vesistöstä.
Poistuva vesi palautetaan yleisimmin eri paikkaan ympäristöön. [10, s. 9] Tässä työssä käsitellään tarkemmin järjestelmiä, joissa lämmönlähteenä on maa tai ilma. Maaläm- pöjärjestelmistä suurimman painoarvon saavat energiapaalut ja energiakaivo. Luvussa 2 huomattiin, kuinka lämpökertoimeen vaikuttaa merkittävimmin lauhduttimen ja höyrys- timen lämpötilaero. Maan kyky varastoida lämpöä on ilmaa korkeampi, joten maan vuo- tuinen keskiarvolämpötila on myös korkeampi. Tämän johdosta voidaan olettaa, että maalämpöä hyödyntävissä järjestelmissä saavutetaan parempia lämpökertoimia, kuin il- malämpöä hyödyntävissä järjestelmissä.
3.1 Maalämpö
Maahan ja kallioperään varastoitunutta lämpöenergiaa kutsutaan yleisnimityksellä maa- lämpö. Maailman energiakonferenssissa (World Energy Conference) on arvioitu, että maalämmön potentiaali energian tuotannossa on 1012 MWh. Tämä vastaa kymmenker- taisesti vuodessa kulutettua energiamäärää maailmanlaajuisesti. [11, s. 2] Maaläm- möstä puhuttaessa, termi on kuitenkin syytä jakaa kahteen osaan: geoenergiaan ja geo- termiseen energiaan. Geoenergialla tarkoitetaan maahan tai vesistöön varastoitunutta lämpöenergiaa, joka on pääsääntöisesti peräisin auringon lämpösäteilystä. Noin 15 met- riin asti varastoitunut energia on täysin auringosta lähtöisin olevaa. [12, s. 6] Kuvasta 5 nähdään, kuinka maanpinnan keskilämpötila on Etelä-Suomessa +6 astetta ja Pohjois- Suomessa +2 astetta. Maanpinnan keskilämpötila on 2–3 astetta ilman keskilämpötilaa suurempi.
Kuva 5. Ilman vuotuinen keskiarvolämpötila (vasemmalla) ja maanpinnan vuotui- nen keskiarvolämpötila (oikealla) Suomessa. [10, s. 7]
Maanpinnalla lämpötila vaihtelut ovat suuria vuodenajoista johtuen. Kuitenkin jo noin 20 metrin syvyydessä saavutetaan sijainnin mukainen vakiolämpötila [13]. Kuvassa 6 on esitetty teoreettinen mallinnus tästä ilmiöstä.
Kuva 6. Teoreettinen mallinnus Suomen vuodenaikojen vaikutuksesta maan läm- pötiloihin eri syvyyksillä. [15]
Tämän mallinnuksen mukaan vuodenajoista johtuvat vaihtelut tasaantuvat jo 16 metrin syvyydessä. Mentäessä syvemmälle kohti maapallon keskustaa, lämpötila nousee kes- kimääräisesti 3 astetta 100:aa metriä kohden. Oltaessa syvemmällä kuin 20 metriä
maanpinnasta, on kyseessä geoterminen energia. Geotermisestä energiasta noin kaksi kolmasosaa on peräisin maassa olevien radioaktiivisten isotooppien hajoamisesta. Lo- put lämmöstä tulee maapallon synnyn aikana ytimeen ja vaippaan varastoituneen ener- gian vapautumisesta. [11, s. 1] Suomessa maan lämpötila nousee keskiarvoa vähem- män. Suomessa lämpötila nousee 0,8–1,5 astetta 100:aa metriä kohden [13]. Kuvassa 7 on esitetty Geologian tutkimuskeskuksen Jyväskylän seudulla suorittamien mittausten tulokset.
Kuva 7. Syvyyden vaikutus maan lämpötilaan, Jyväskylän seudulla toteutetun mit- tauksen pohjalta. [13].
Kuvasta 7 voidaan todeta, että mittaukset on todennäköisesti suoritettu kesällä, koska maanpinnan lämpötila on jopa 11 astetta. Mittauksista ilmenee myös jo aiemmin todettu ilmiö, eli lämpötila vakiintuu 15 metrin syvyydessä 6 asteeseen. Vasta 50 metrin syvyy- dessä lämpötila alkaa nousemaan geotermisen energian vaikutuksesta. Kuvaan 7 on merkattu katkoviivalla geoterminen gradientti, joka kertoo lämpötilan noususta metriä kohden. Tässä kyseisessä mittauksessa gradientti on ollut 1,3 °C / 100 m [13]. Kuvasta nähdään, että 300 metrin syvyydessä on vain 2 astetta korkeampi lämpötila kuin 50 met- rin syvyydessä.
Geotermistä energiaa voidaan hyödyntää myös suuremmissa mittakaavoissa voimalai- tostasolla. Vuonna 2020 Otaniemeen valmistui Suomen ensimmäinen geoterminen läm- pövoimala. Lämpövoimala kerää lämpöenergiaa 6,4 kilometriä syvästä lämpökaivosta.
Tästä syvyydestä saadaan suoraan kaukolämpöverkon vaatimaa 120 asteista vettä.
Teknologia geotermisen lämpövoimalaitoksen taustalla ei ole uutta, sillä ensimmäinen laitos rakennettiin Italiassa jo 1900-luvun alussa. Ennen Otaniemen laitosta, geotermisiä lämpövoimaloita ei pidetty kannattavina Suomessa. Tämä johtui siitä, että Suomen kal- lioperää pidettiin liian kylmänä ja huokoisena tehokkaan lämmöntuotannon kannalta. [14]
3.1.1 Energiapaalut
Suomessa energiapaalujen asennussyvyys on 15–50 metriä [15, s. 43]. Energiapaalujen asennuksessa hyödynnetään tavallisesti rakennusten perustuksina käytettyjä betoni- tai teräspaaluja [15, s. 43]. Nykyisin noin puolet uusista rakennuksista Suomessa rakenne- taan paalujen päälle [15, s. 43]. Energiapaaluissa suosituin käytettävä materiaali on be- toni, sen korkean lämmönjohtavuuden sekä lämmönvarauskyvyn takia [16]. Paalujen si- sään asennetaan lämmönsiirtoputki, jonka sisällä kulkee kiertoneste. Kiertonesteenä voidaan käyttää puhdasta vettä, mutta tavallisesti siihen lisätään jäätymisen estämiseksi etyleeni- tai propyleeniglykolia. Tällaisen seoksen viskositeetti on korkeampi kuin puh- taan veden, joka johtaa pumpun tehon tarpeen kasvuun. Hyöty saavutetaan, kun kierto- nesteen lämmönjohtavuus paranee puhtaaseen veteen verrattuna. [16]
Energiapaalun toiminta perustuu siihen, että putkiston kiertonesteen lämpötila on pie- nempi kuin paalun ja sitä ympäröivän maa-aineksen lämpötilat. Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti lämpötilat pyrkivät tasapainoon [5, s. 55] ja lämpöenergiaa siir- tyy maasta paalun kautta kiertonesteeseen. Lämmönsiirtymisen tehokkuuteen paalun ja maan välillä vaikuttavat monet tekijät. Näitä ovat maa-aineksen lämpötilan diffuusioker- roin ja lämmönjohtokyky. Diffuusiokerroin kuvaa, kuinka helposti lämpö leviää ja hajaan- tuu maahan. Lämmönjohtokyky mittaa maan kykyä johtaa lämpöä aikayksikköä kohden.
Näiden arvojen mittaamiseksi tehdään TRT-mittaus (thermal response test). [16]
Lämmönsiirtoputken asennuksessa on useita eri variaatioita, joista yleisimmät on esitetty kuvassa 8.
Kuva 8. Eri asennusvariaatiot lämmönsiirtoputkelle energiapaalun sisällä [9].
Perusajatuksena voidaan pitää, että yhteensä 300–500 metriä paalua riittää kattamaan asuinrakennuksen lämmitystarpeen. Esimerkiksi asennettaessa 38 kappaletta 8 metrin paaluja, saadaan yhteensä 304 metriä lämmönsiirtokapasiteettia. Paalut on mahdollista asentaa joko rinnan tai sarjaan. Rinnankytketyissä paaluissa, jokaisella paalulla on omat sisään- ja ulostulo putkensa. Sarjaan kytkennässä kiertoneste menee ensimmäiseen paaluun, jonka jälkeen se kiertää kaikki kytkennässä olevat paalut, ennen kuin se poistuu kierrosta. [16] Tämä on havainnollistettu kuvassa 9.
Kuva 9. Havainto kuva rinnankytketyistä energiapaaluista (vasemmalla) ja sarjaan kytketyistä energiapaaluista (oikealla) [16].
Rinnan tai sarjaan kytketyistä paaluista voidaan saada jopa 70 % enemmän lämpöener- giaa verrattuna yksittäisiin paaluihin. Kuitenkin yli 15 paalun kytkeminen yhteen ei enää tuota tavoiteltua hyötyä. 15 paalun jälkeen lämmönsiirtokyky ei kasva enää, jolloin kier- tonesteeseen ei saada sidottua lisää lämpöä. Kiertonesteen lämpötilan erotus maan lämpötilaan on kasvanut niin pieneksi, että merkittävää lämmönsiirtymistä ei enää ta- pahdu. [17]
Energiapaaluja voidaan hyödyntää myös rakennusten viilennyksessä. Rakennuksen si- säilman lämpöenergia johdetaan takaisin energiapaaluihin, joista se varastoituu talven aikana viilentyneeseen maaperään. Viilennystä varten lämmitysjärjestelmään täytyy asentaa omat lämmönsiirtoputket. Viilennys voidaan toteuttaa vapaalla kierrolla. Tällöin lämmin ilma siirtyy luonnollisesti paalujen kiertoon lämpötilojen pyrkiessä tasapainoon.
Toinen tapa on koneellinen, jossa järjestelmässä on kaksi lämpöpumppua. Toinen siirtää lämpöä rakennukseen ja toinen sieltä pois. [9]
3.1.2 Lämpökaivo
Lämpökaivon toimintaperiaate on energiapaaluja vastaava. Lämmönkeruuputkessa oleva kiertoneste siirtää lämmön maasta lämpöpumpulle. Rakenteeltaan lämpökaivo on erilainen, koska sen asennussyvyys on suurempi. Lämpökaivojen syvyydet alkavat noin 100 metristä ja yksityistalouksissa ovat syvimmillään yleensä 300 metriä. Suurissa ra-
kennuksissa voi olla tilanne, että 300 metrisestä lämpökaivosta ei saada tarpeeksi läm- pöä. Tällöin on tavallisempaa porata useampi kaivo, kuin porata yksi yli 300 metriä syvä kaivo. [10, s. 33] Lämpökaivon rakenne on esitetty kuvassa 10.
Kuva 10. Lämpökaivon rakenne [10, s. 35].
Lämpökaivoon asennetaan suojaputkea, joka alkaa maanpinnalta ja ulottuu 2–6 metriä peruskallion sisään. Tällä estetään irtonaisen maa-aineksen valuminen kaivoon ja mah- dollinen pohjaveden saastuminen. [10, s. 35] Suomessa kaivon ja lämmönkeruuputken välinen alue täytetään vedellä, mutta esimerkiksi Ruotsissa täytteenä käytetään betoni- laastia. Täyttämisen tarkoituksena on ennaltaehkäistä tilanteita, joissa kiertoneste pää- sisi valumaan pohjaveteen. [12, s. 10]
3.1.3 Maapiiri
Maapiirissä keruupiiri on asennettu maanpintaan horisontaalisti, korkeintaan metrin sy- vyyteen. Maapiirin toiminta pohjautuu samaan ideaan, kuin kahdella edellä mainitulla järjestelmällä. Maapiiriä asennetaan pientalokohteisiin yleensä vähintään 500 metriä, jotta saavutettaisiin yhtä suuri lämmönkeruu potentiaali, kuin energiapaaluilla tai lämpö- kaivolla. Piiriä ei voi asentaa liian tiheään, jotta maan kyky varastoida ja johtaa lämpö- energiaa säilyy mahdollisimman tehokkaana. Keskiarvoisesti maapiirin vaatima asennus pinta-ala on noin 1,5 m2/m [10]. Tähänkin vaikuttaa maaperän laatu, joka täytyy tutkia
suunnittelu vaiheessa. Maapiirin vaatiman suuren pinta-alan takia se on harvemmin käy- tetty maalämmön sovellus.
3.1.4 Vesistö
Vesistöön asennettava horisontaalinen keruupiiri on viimeinen tässä työssä käsiteltävä maalämmön keruumuoto. Keruuputkisto asennetaan parin metrin syvyyteen vesistön pohjaan. Suomen vesistöissä 3–4 metrin syvyydessä on saatu mitattua jopa 12:n °C lämpötiloja. Vertauksena kuivalla maalla 3–4 metrin syvyydessä on korkeintaan 6 as- tetta. Suurimpana hyötynä on talvella vesistön päälle syntyvä jään ja lumen eristekerros, joka hidastaa pohjakerroksen jäähtymistä. [18] Lisäksi päällä oleva vesimassa auttaa varastoimaan kesän aikana auringosta saatavaa lämpöenergiaa [19].
Olennaisena ongelmana ovat korkeahkot asennuskustannukset verrattuna perinteisem- piin ratkaisuihin, sekä rakennusten lähellä olevien sopivien vesistöjen vähyys. Suo- messa tunnetuin vesistön sedimentissä sijaitseva keruuputkisto asennettiin 2008 Vaa- san asuntomessualueelle, joka on merenrannassa. Keskitalvella pohjasta 4 metrin sy- vyydestä saatiin mitattua keskilämpötilaksi 9 °C. Meren pohjaan porattiin yhteensä lähes 8 kilometriä koaksiaaliputkea. [19]
3.2 Ilmalämpöpumppu
Ilmalämpöpumpuissa nimensä mukaisesti lämpöenergia kerätään suoraan ilmasta. Il- malämpöpumpussa ulkoyksikön tuuletin puhaltaa ulkoilman suoraan höyrystimen rivas- ton läpi. Tästä seuraa ristiriita, kun ulkolämpötilan laskiessa ilmalämpöpumpun lämmön- tuotanto kapasiteetti laskee, vaikka rakennuksen lämmitystarve kasvaa. [20, s. 53–56]
Vaikkakin ilmalämpöpumppujen suorituskyky on parantunut ja uusimmilla laitteilla voi- daan tuottaa kannattavasti lämpöä jopa -20:n °C ulkolämpötiloissa [21, s. 33], ei ilma- lämpöpumpulla päästä yhtä korkeisiin COP-arvoihin, kuin verrokeilla. Siksi ilmalämpö- pumput eivät ole paras vaihtoehto ensisijaiseksi lämmitysjärjestelmäksi. [20, s. 55]
Yleisesti käytettäessä termiä ilmalämpöpumppu tarkoitetaan yksikköä, joka siirtää läm- mön huoneistoon sisäyksikön avulla. Kun lämpöpumppu siirtää energian vesikiertoiseen lattialämmitys- tai patteriverkostoon, käytetään termiä ilma-vesilämpöpumppu.
Ilmalämpöpumpun tehokkuutta heikentää kondenssivesiongelma, joka kasvaa ilman kosteuden kasvaessa. Ongelma on suurimmillaan ulkolämpötilan ollessa pakkasella, mutta lähellä 0:aa °C. Tällöin ilmassa on paljon kosteutta sekä höyrystimen pinnan läm- pötila on alle 0 °C. Tämän seurauksena ilmassa oleva kosteus pääsee härmistymään höyrystimen pintaan. Höyrystimen pinnan jäätyessä, jää toimii eristeenä ja höyrystimen
lämmönkeräyskyky heikentyy. Lämmönkeräyskyvyn heikentyminen vaikuttaa suoraan energiatehokkuuteen, pienentyneenä lämpökertoimena. Kylmiin olosuhteisiin suunnitel- luissa Nordic-tyypin pumpuissa on ominaisuus, joka poistaa jään automaattisesti. Niissä on tunnistin, joka seuraa jään kertymistä höyrystimeen. Mikäli jäätä kertyy liikaa, järjes- telmä kääntää kylmäaineen virtaussuunnan hetkellisesti. Virtaussuunnan muutoksen myötä lämpöenergian kulkusuunta muuttuu, höyrystimen pinnan lämpötila nousee ja jää sulaa. [20, s. 57] Tällä on suora negatiivinen vaikutus lämpökertoimeen ja energiatehok- kuuteen, koska tuotettua lämpöenergiaa joudutaan käyttämään höyrystimen sulana pi- tämiseen.
4. TEKNISTALOUDELLINEN TARKASTELU
Teknistaloudellinen tarkastelu on hyödyllinen työkalu, kun halutaan tehdä objektiivisia päätöksiä huomioiden tekniset sekä taloudelliset näkökulmat. Tässä luvussa tehdään teknistaloudellinen analyysi johdannossa esitellyille tapauksille. Energiapaalua, lämpö- kaivoa, ilmalämpöpumppua ja ilma-vesilämpöpumppua tarkastellaan kolmessa, energia- tehokkuudeltaan eroavassa talotyypissä: tavallinen pientalo, matalaenergiatalo ja pas- siivitalo. Vertailu tapahtuu laskemalla lämpöpumpuille takaisinmaksuajat ja nettonykyar- vot. Nämä arvot perustuvat lämpöpumpuilla saatavaan taloudelliseen säästöön, eli läm- mityskustannusten laskuun. Tästä syystä lämpöpumpuilla saatavia lämmityskustannus- ten säästöjä verrataan suorasähkölämmitykseen ja öljylämmitykseen. Tämän tutkimuk- sen puitteissa ei ollut mahdollista selvittää laskuissa käytettyjä arvoja itse. Tästä syystä laskuissa käytetään kirjallisuuskatsauksen pohjalta valittuja arvoja.
4.1 Teknistaloudellisen tarkastelun teoria
Teknistaloudellinen tarkastelu voidaan jakaa neljään osaan: prosessimalliin, pääoma- kustannuksiin, käyttökustannuksiin sekä kassavirta-analyysiin. Prosessimalli sisältää mallinnuksen kokonaisprosessista, jonka avulla voidaan arvioida laitteistojen koot ja hin- nat. Pääomakustannukset (CAPEX) sisältävät kertaluontoiset kulut, yleensä projektin alussa vaadittavat laitteistojen hankinnat. Teknoekonomisessa tarkastelussa pääoma- kustannukset yleensä arvioidaan lähteiden tai myyjien tarjousten perusteella. Käyttökus- tannukset sisältävät käyttöön liittyvät kulut. Nämä voidaan jakaa kolmeen kategoriaan:
muuttuvat, kiinteät ja yleiset. Muuttuvat käyttökustannukset muuttuvat käyttöasteen suh- teen, kun taas kiinteät pysyvät vakiona. Yleiset käyttökustannukset eivät suoraan liity käyttöön, mutta ne on silti otettava huomioon täydellisen analyysin luomiseksi. Kassa- virta-analyysissa tarkastellaan saatuja taloudellisia hyötyjä, joita ovat toteutuneet tulot ja pienentyneet menot. [22]
4.1.1 Lämpöpumppujen mitoitus
Lämpöpumppujen teknistaloudellista analyysia varten, täytyy lämpöpumput olla mitoi- tettu oikein kohteen lämmitystarpeen suhteen. Mitoituksen lähtökohtana on tieto, kuinka paljon energiaa rakennuksen lämmittäminen vaatii. Vanhaa lämmitysjärjestelmää kor- vattaessa lämpöpumpulla, lämmitystehontarve voidaan arvioida vanhojen lämmityskus-
tannusten perusteella. Uudisrakentamisen yhteydessä tehontarve voidaan laskea Ym- päristöministeriön julkaiseman Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontar- peen laskenta – oppaan avulla [23]. Laskettaessa lämmitysjärjestelmältä vaadittavaa ka- pasiteettia, täytyy ottaa huomioon myös käyttöveden lämmitys. Huomioitavaa käyttöve- den lämmityksessä on, että käyttövesi tulee lämmittää vähintään 50 asteiseksi. Tällöin käyttövesiputkistoihin ei pääse syntymään Legionella-bakteeri kasvustoa [24].
Maalämpöjärjestelmä voidaan mitoittaa myös osateholle. Esimerkiksi, jos talon lämmit- tämiseen tarvittaisiin 7:n kW tehoinen lämpöpumppu, asennetaan teholtaan vain 6:n kW lämpöpumppu. Tässä tapauksessa talven kovimpien pakkasten tehohuippujen tarve täy- dennetään varaajan sähkövastuksilla. Osateholle (60 %–80 %) mitoitettu lämpöpumppu kykenee kattamaan jopa 95 % vuotuisesta lämmitystehontarpeesta. [25] Osateho mitoi- tuksen hyödyt ja haitat pohjautuvat erilaiseen kulurakenteeseen. Osateholle mitoitetun lämpöpumpun hankintakustannukset ovat pienemmät. Kovilla pakkasilla osateholle mi- toitettua lämpöpumppua täytyy tukea toisella lämmitysmuodolla. Lämmitysmuodosta riippuen tämä aiheuttaa suurempia käyttökustannuksia verrattuna tilanteeseen, jossa lämmitys kyetään hoitamaan pelkästään lämpöpumpulla. Ilmalämpöpumppua hank- kiessa ei voida pohtia osateho mitoituksen mahdollisuutta. Ilmalämpöpumppujen heiken- tynyt lämpökerroin alle 20 asteen pakkasilla johtaa yleensä siihen, että korkeimpien te- hohuippujen aikana ilmalämpöpumppuja joudutaan tukemaan vaihtoehtoisella lämmitys- muodolla.
4.1.2 Takaisinmaksuaika ja nettonykyarvo
Arvioitaessa lämpöpumppujen taloudellisia hyötyjä, tarkastelu kohdistuu pienentyneisiin lämmityskustannuksiin ja niiden suhdetta sijoitettuun pääomaan. Tässä työssä sijoituk- sen kannattavuutta tarkastellaan kahden parametrin avulla. Ensimmäisenä takaisinmak- suaika (PP)
𝑃𝑃 =𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋𝐶𝐹
1 , (8)
jossa CAPEX on pääomamenot ja CF on kassavirta. Tässä tilanteessa kassavirta tar- koittaa saatuja säästöjä lämmityskustannuksissa. Takaisinmaksuaika tarkoittaa sitä raja- arvoa, jonka jälkeen sijoitettu pääoma alkaa tuottaa voittoa. Se on yksinkertaisin tapa laskea sijoituksen kannattavuus, koska se ei ota huomioon rahan kasvupotentiaalia. Toi- sena käytetään nettonykyarvoa (NPV)
𝑁𝑃𝑉 = ∑ 𝐶𝐹𝑖
(1+𝑟)𝑖
𝑛𝑖=1 − 𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋, (9)
jossa n on tarkastelujaksojen kokonaislukumäärä, i on jakson järjestysluku ja r on dis- konttauskorko. Nettonykyarvoa laskiessa täytyy huomioida myös tulevaisuuden kustan- nukset, kuten sähkön hinnannousu ja inflaatio. Siksi nettonykyarvo on takaisinmaksuai- kaa todellisempi mittari arvioitaessa sijoituksen kannattavuutta. Nettonykyarvon ollessa positiivinen, sijoituksen tulkitaan olevan kannattava. [26]
4.2 Laskuissa käytettävät vakioarvot
Takaisinmaksuajan ja nettonykyarvon laskemiseksi täytyy ensin selvittää laskuissa käy- tettävät vakioarvot. Tässä tutkimuksessa käytetään vakioarvoja, koska ajallisten ja ta- loudellisten rajoitteiden takia ei olisi mahdollista tehdä käytännöntutkimusta jokaiselle tutkittavalle tapaukselle. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta saatujen vakioarvojen avulla on mahdollista laskea vertailukelpoiset tulokset tämän tutkimuksen puitteissa. Taulukkoon 1 on koottu lämpöpumppuja koskevat vakioarvot eli lämpökertoimet (COP) ja sijoitettava pääoma (CAPEX).
Lämpökertoimien valitsemiseksi on tarkasteltu useampia tutkimuksia ja lähteitä. Lopuksi valikoitujen lähteiden arvot ovat samassa linjassa muiden tarkasteltujen lähteiden kanssa. Varsinkin ilmalämpöpumppujen kohdalla on tärkeää, että tutkimusolosuhteet ovat verrattavissa Suomen ilmastoon. Kyseiset arvot on valittu julkaisuista, joissa tutki- mukset on toteutettu ulkolämpötilan ollessa 10–20 astetta pakkasella. Energiapaalujen, ilmalämpöpumpun ja ilma-vesilämpöpumpun arvot ovat julkaisuista, joissa on tehty ko- keellista tutkimusta, joiden pohjalta on laskettu COP-arvot lämpöpumpuille. Lämpökai- von COP-arvon julkaisussa oli verrattu useita Etelä-Koreassa myynnissä olevien lämpö- pumppujen COP-arvoja ja näiden pohjalta tehty yhteenveto.
Lämpöpumppuihin sijoitettava pääoma sisältää lämpöpumpun hankinta- ja asennuskus- tannukset. Tätä varten on tarkasteltu useita Suomessa lämpöpumppuja myyvien yritys- ten internetsivuja ja hinta-arvioita. Tässä tutkimuksessa on käytetty näiden yritysten il- moittamien hintojen keskiarvoa [27]. Ruukki on ainut suomalainen yritys, joka mainostaa energiapaalujen asennusta hintojen kanssa. Tästä syystä energiapaalujen hinnanmää- ritystä ei voida tehdä vertailukelpoisesti. Energiapaalujen CAPEX-arvon laskennassa käytetään liettualaisen tutkimuksen pohjalta arviota, että energiapaalujen asennuskus- tannukset ovat 4000–5000 euroa pienemmät kuin lämpökaivolla [28].
Taulukko 1. Vertailtavien lämpöpumppujen vakioarvot.
Energia- paalu
Lämpökaivo Ilmalämpö- pumppu
Ilma-vesi- lämpöpumppu COP
CAPEX (€)
4,2 [29]
~14000 [28]
3,5 [30]
~18000 [27]
2 [31]
~2000 [27]
1,8 [32]
~12000 [27]
Taulukkoon 2 on koottu energiakulutukseen ja lämmityskustannuksiin vaikuttavat tekijät, jotka ovat riippumattomia lämpöpumppujen ominaisuuksista. Vertailussa olevien talojen energiatehokkuuksiksi on valittu Motivan lähteessään ilmoittamat keskiarvot neliötä koh- den vuodessa. Käyttöveden lämmittämiseen tarvittava energiamäärä on niin ikään Moti- van lähteeseen pohjautuen, 1500 kWh asukasta kohden vuodessa. [21] Tilastokeskuk- sen vuoden 2010 tietojen mukaan, uusien omakotitalojen keskikoko oli 1990-luvulla 122 m2 ja vuonna 2010 144 m2 [33]. Näiden tietojen pohjalta on laskettu keskiarvo ja pyöris- tetty lähimpään kymmenykseen, eli 130 m2. Vuonna 2020 Tilastokeskuksen julkaisemien tietojen perusteella asuntokunnan kooksi valikoitui kolme henkilöä [34], jonka pohjalta voidaan laskea käyttöveden lämmitykseen kuluva energia. Sähkön- ja öljynhinta ovat Tilastokeskuksen maaliskuulta 2021 ilmoittamat kuluttajahinnat [35]. Öljylämmityksen kustannuksissa otetaan huomioon öljylämmityksen hyötysuhde. Eri lähteissä öljylämmi- tyksen hyötysuhteet vaihtelevat 75- ja 90-prosentin välillä, joten hyötysuhteena käyte- tään näiden keskiarvoa [36].
Taulukko 2. Laskuissa käytetyt vakioarvot.
Tavallinen pientalo energiatehokkuus 120 kWh/m2/a
Matalaenergiatalo energiatehokkuus 60 kWh/m2/a
Passiivitalo energiatehokkuus 30 kWh/m2/a
Käyttöveden energiakulutus 1500 kWh/asukas/a
Talon pinta-ala 130 m2
Asukas lukumäärä 3 kpl
Sähkön hinta 14,25 c/kWh
Öljyn hinta 9,59 c/kWh
Öljylämmityksen hyötysuhde 82,5 %
Takaisinmaksuaikaa laskiessa huomioidaan vain pääoma sijoituksen alussa, eikä myö- hempiä mahdollisia huoltokustannuksia. Sähkön- ja öljynhinnat muuttuvat jatkuvasti, mutta laskujen yksinkertaistamiseksi huomioidaan muutos vuosittain. Myös rahan arvo muuttuu, joka täytyy huomioida pidempiaikaisten sijoitusten kannattavuutta laskiessa.
Nettonykyarvoa laskiessa tämä on huomioitu diskonttauskorolla. Nämä arvot on koottu taulukkoon 3.
Lämpöpumpuista aiheutuvia huoltokustannuksia mallinnetaan laskuissa 30 %:n osuu- della alkuperäisestä pääomasijoituksesta. Lisäksi se on mielivaltaisesti kohdennettu elin- kaaren puoliväliin, eli 15 vuoden kohdalle. [26] Tässä työssä koron määränä käytetään 5 %:a, koska se on yleisesti hyvänä pidetty diskonttauskoron suuruus [37]. Sähkönhin- nan vuotuisena kasvuna käytetään 2 %:a, joka perustuu aikaisempien vuosien kasvuun [26]. Öljyn hintakehityksen arvioiminen on vaikeampaa kuin sähkön hintakehityksen.
Suomessa lämmitysöljy on tuontituote, joten Suomi ei voi verotuksen lisäksi vaikuttaa merkittävästi sen hintaan. Öljyn hintaan vaikuttavat myös merkittävästi erilaiset poliittiset jännitteet. Voidaan kuitenkin tehdä vahva olettama, että Suomessa asetetun hiilineutraa- lius tavoitteen takia öljyn hinta tulee nousemaan. Tästä syystä laskuissa on käytetty sa- maa kasvua kuin sähkön hinnan suhteen, eli 2 %:a.
Taulukko 3. Nettonykyarvoon vaikuttavat prosentuaaliset tekijät.
Huoltokustannukset Diskonttauskorko Sähkön hintakehitys vuodessa Öljyn hintakehitys vuodessa
30 % 5 % 2 % 2 %
4.3 Laskennan tulokset
Ensin lasketaan takaisinmaksuajat lämpöpumpuille kaavalla (8) tilanteessa, jossa läm- pöpumpuilla saatavaa säästöä lämmityskustannuksissa verrataan suorasähkölämmityk- seen kolmessa eri talotyypissä. Lasketut takaisinmaksuajat on koottu taulukkoon 4 ja ilmoitettu vuosina.
Taulukko 4. Lämpöpumppujen takaisinmaksuajat eri talotyypeissä suorasähkölämmityksen korvaajana.
PP vrt. suo- rasähkölämmi- tys [a]
Energia- paalu
Lämpökaivo Ilmalämpö- pumppu
Ilma-vesi- lämpöpumppu
Tavallinen pientalo
6,3 8,7 1,8 9,5
Matalaener- giatalo
10,3 14,2 3,6 15,5
Passiivitalo 15,1 20,1 7,1 22,6
Lyhyin takaisinmaksuaika 1,8 vuotta on ilmalämpöpumpulla tavallisessa pientalossa. Pi- sin takaisinmaksuaika 22,6 vuotta on ilma-vesilämpöpumpulla passiivitalossa. Taulukon
4 tuloksista nähdään, että eri lämpöpumpuista vain ilmalämpöpumpulla takaisinmaksu- ajat ovat alle 10 vuotta jokaisessa vertailukohteessa. Tavallinen pientalo on ainoa ver- tailun talotyypeistä, jossa jokaisella lämpöpumpulla saavutetaan alle 10 vuoden takaisin- maksuaika. Passiivitalossa lämpökaivon ja ilma-vesilämpöpumpun takaisinmaksuajat kasvavat jo yli 20 vuoteen.
Seuraavaksi lasketaan kaavaa (9) käyttäen nettonykyarvot lämpöpumpuille samassa ti- lanteessa, eli lämmityskustannusten säästöjä verrataan suorasähkölämmitykseen kol- messa eri talotyypissä. Nettonykyarvot lasketaan vuoden välein 30 vuoden ajalta. Las- kennan tulokset on koottu kuvaan 11.
Kuva 11. Lasketut nettonykyarvot eri lämpöpumpuille verrattaessa sähkölämmityk- seen, kolmessa energiatehokkuudeltaan eroavassa talossa.
30 vuoden jälkeen korkein nettonykyarvo, hieman yli 25 000 euroa, on energiapaalulla tavallisessa pientalossa. Pienin nettonykyarvo, hieman alle -5000 euroa, on lämpökai- volla passiivitalossa. Kuvasta 11 nähdään melko odotetusti, että tavallisessa pientalossa lämpöpumppujen nettonykyarvot saavuttavat vertailuryhmän korkeimmat arvonsa. Mie-
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
0 5 10 15 20 25 30
NPV [€]
Kokonaiskäyttöaika [a]
Lämpöpumppujen nettonykyarvo eri kokonaiskäyttöajan hetkillä verrattuna suorasähkölämmitykseen. Kolmessa
energiatehokkuudeltaan eroavassa talossa.
tav. EP tav. LK tav. ILP tav. IVLP mat. EP mat. LK mat. ILP mat. IVLP pass. EP pass. LK pass. ILP pass. IVLP
lenkiintoista on se, että passiivitalossa lämpökaivon ja ilma-vesilämpöpumpun sekä ma- talaenergiatalossa ilma-vesilämpöpumpun nettonykyarvot 30 vuoden jälkeen jäävät ne- gatiivisiksi. Lisäksi passiivitalossa energiapaalun ja ilmalämpöpumpun sekä matalaener- giatalossa lämpökaivon nettonykyarvot 30 vuoden kohdalla ovat alle 2500 euroa positii- visella.
Seuraavaksi lasketaan jälleen takaisinmaksuaikoja, mutta tässä tilanteessa lämpöpum- puilla saavutettavia lämmityskustannus säästöjä verrataan öljylämmitykseen. Takaisin- maksuajat lasketaan kaavaa (8) käyttäen. Tulokset on koottu taulukkoon 5 ja esitetty vuosina.
Taulukko 5. Lämpöpumppujen takaisinmaksuajat eri talotyypeissä öljylämmityksen korvaajana.
PP vrt. öljy- lämmitys [a]
Energia- paalu
Lämpökaivo Ilmalämpö- pumppu
Ilma-vesi- lämpöpumppu Tavallinen
pientalo
8,3 11,7 3,4 16,2
Matalaener- giatalo
13,6 19,1 8,5 26,4
Passiivitalo 19,9 28,0 34,4 38,6
Tulokset ovat yhtenäiset taulukkoon 4 verrattaessa siinä, että lyhyin takaisinmaksuaika on ilmalämpöpumpulla tavallisessa pientalossa ja pisin on ilma-vesilämpöpumpulla pas- siivitalossa. Kokonaisuutena tulokset ovat kuitenkin huonommat, kuin taulukossa 4, koska sijoituksen kannalta lyhyempi takaisinmaksuaika on parempi. Huonommat tulok- set todennäköisesti johtuvat siitä, että laskuissa käytetty öljyn hinta on pienempi kuin laskuissa käytetty sähkön hinta. Alle 10 vuoden takaisinmaksuaikoihin päästään ainoas- taan energiapaalulla tavallisessa pientalossa ja ilmalämpöpumpulla tavallisessa pienta- lossa ja matalaenergiatalossa.
Viimeiseksi lasketaan nettonykyarvot lämpöpumpuille, kun lämmityskustannus säästöjä verrataan öljylämmitykseen. Nettonykyarvot lasketaan kaavaa (9) käyttäen vuoden vä- lein 30 vuoden ajalta. Tulokset on esitetty kuvassa 12.
Kuva 12. Lasketut nettonykyarvot eri lämpöpumpuille verrattaessa öljylämmityk- seen, kolmessa energiatehokkuudeltaan eroavassa talossa.
Verrattaessa kuvan 11 tuloksiin, tällä kertaa kaikissa tilanteissa nettonykyarvot ovat po- sitiivisia 30 vuoden jälkeen. Suurin nettonykyarvo, hieman yli 65 000 euroa, on energia- paalulla tavallisessa pientalossa. Pienin nettonykyarvo, noin 10 000 euroa, on lämpökai- volla passiivitalossa. Kuvassa 12 on myös nähtävissä, että nettonykyarvojen kuvaajat ovat enemmän eksponentiaaliset. Kuvassa 11 kuvaajat ovat taas enemmän lineaariset.
-20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
0 5 10 15 20 25 30
NPV [€]
Kokonaiskäyttöaika [a]
Lämpöpumppujen nettonykyarvo eri kokonaiskäyttöajan hetkillä verrattuna öljylämmitykseen. Kolmessa
energiatehokkuudeltaan eroavassa talossa.
tav. EP tav. LK tav. ILP tav. IVLP mat. EP mat. LK mat. ILP mat. IVLP pass. EP pass. LK pass. ILP pass. IVLP
5. TULOKSET JA PÄÄTELMÄT
Tässä luvussa tarkastellaan laskennan tuloksia ja pohditaan mitä niistä voidaan päätellä sekä olivatko tulokset odotetun kaltaiset. Keskitytään tuloksissa tarkastelemaan net- tonykyarvojen eroavaisuuksia. Tämä siitä syystä, että lämmitysratkaisujen hankinta on pitkäaikainen sijoitus, joten nettonykyarvolla saadaan todellisuutta paremmin kuvaava arvio sijoituksen kannattavuudesta.
Tarkastellaan ensin tilannetta, jossa lämpöpumppujen lämmityskustannuksia verrataan suorasähkölämmitykseen. Tuloksissa on nähtävissä selvästi kolme ratkaisua, joita voi- daan pitää hyvinä sijoituksina. Nämä ovat tavallisessa pientalossa olevat energiapaalu, lämpökaivo ja ilmalämpöpumppu. Kaikissa näissä nettonykyarvo 30 vuoden kohdalla on yli 15 000 euroa. Huomioitavaa on, että lämpökaivon nettonykyarvo menee lähelle nollaa 15 vuoden kohdalla, jolloin lämpöpumppuun kohdennetaan laskennalliset korjauskus- tannukset. Ehdottomasti huonoja sijoituksia ovat matalaenergiatalossa lämpökaivo ja vesi-ilmalämpöpumppu sekä passiivitalossa kaikki ratkaisut lukuun ottamatta ilmaläm- pöpumppua. Näiden nettonykyarvot jäävät negatiivisiksi tai ovat vain alle 2000 euroa tarkasteluajan lopuksi. Tulokset ovat odotetun kaltaiset, eli mitä pienempi lämmitysener- gian tarve talossa on, sitä vähemmän kustannushyötyjä lämpöpumpuilla saavutetaan.
Tässä tilanteessa myös sähkönhinnan kehityksellä on suuri vaikutus. Mikäli sähkönhinta nousee laskuissa käytettyä 2 %:n kasvuvauhtia nopeammin, lämpöpumppujen net- tonykyarvot kasvavat myös nopeammin saatujen kustannussäästöjen myötä.
Seuraavaksi tarkastellaan tuloksia, joissa lämpöpumppuja verrataan öljylämmitykseen.
Nyt on havaittavissa paljon vahvemmin edellisessä kappaleessa havaittu trendi, eli ra- kennuksen energiatehokkuudella on suurin vaikutus nettonykyarvoihin. Voidaankin to- deta, että tavallisessa pientalossa on järkevää korvata öljylämmitys lämpöpumpulla.
Vastaavasti passiivitalossa se ei ole minkään lämpöpumpun osalta järkevä sijoitus.
Yhtenäistä tuloksissa on se, että tavallisessa pientalossa kaikki lämpöpumppu vaihtoeh- dot ovat varteen otettavia vaihtoehtoja sijoitusnäkökulmasta. Matalaenergiataloissa läm- pöpumput maksavat itsensä takaisin, mutta voittoa ei ole paljoa odotettavissa. Passiivi- taloissa taas kaikki muut paitsi ilmalämpöpumppu ovat huonoja vaihtoehtoja. Lisäksi on havaittavissa, että energiapaalut ja ilmalämpöpumppu pärjäävät parhaiten kaikissa kol- messa vertailukohteessa. Tämä on selitettävissä lämpöpumppujen lähtöarvoilla. Ener- giapaaluilla on lämpöpumpuista korkein lämpökerroin ja ilmalämpöpumpun pääomakus- tannukset ovat verrokeista pienimmät.
6. YHTEENVETO
Tässä tutkimuksessa tutkittiin kirjallisuuskatsauksen avulla lämpöpumppujen teoriaa ja eri lämmönkeruupiirien ominaisuuksia. Lisäksi toteutettiin kirjallisuudesta löytyvien arvo- jen pohjalta teknistaloudellinen tarkastelu neljälle eri lämpöpumppuyksikölle.
Lämpöpumppujen energiatehokkuutta kuvaava yksikkö on lämpökerroin. Se kuvaa, kuinka monta joulea lämpöenergiaa, lämpöpumppu kykenee tuottamaan yhtä joulea sähköenergiaa kohden. Lämpökerroin riippuu lauhduttimen ja höyrystimen välisestä läm- pötilaerosta. Tästä syystä vakaammin lämpötilansa säilyttäviin lämmönkeräyspiireihin kytketyllä lämpöpumpulla on suurempi lämpökerroin.
Tässä työssä laskettujen tulosten pohjalta voidaan todeta, että kaikista energiatehok- kaimmissa taloissa lämpöpumput eivät ole kannattava sijoitus. Tämä johtuu lämpöpump- pujen suurista hankinta- ja asennuskustannuksista. Tulevaisuudessa suurimmat tekijät, jotka tulevat muuttumaan ja vaikuttamaan tässä työssä esitettyihin tuloksiin ovat sähkön- ja öljynhinnat. Luultavasti tässä työssä oletetut hintakehitykset on arvioitu alakanttiin.
Tämän seurauksena lämpöpumput olisivat parempi sijoitushankinta, kuin tulokset anta- vat olettaa.
Jatkokehityksenä olisi mahdollista toteuttaa teknistaloudellinen tarkastelu omien mittaus- tulosten pohjalta. Tämä vaatisi tutkimusympäristön, jossa saman energiatehokkuuden taloissa on kytkettynä nämä neljä lämpöpumppua ja tulosten pohjalta voitaisiin laskea lämpökertoimet yhtenevissä olosuhteissa. Lisäksi voisi toteuttaa tarjouskysely kierrok- sen lämpöpumppujen hankinta- ja asennuskustannuksista. Tällöin pääomakustannukset saataisiin tarkemmin yhdenvertaisiksi ja todenmukaisemmiksi.
LÄHTEET
[1] Ympäristöministeriö. Hallituksen ilmastopolitiikka: kohti hiilineutraalia Suomea 2035 [verkkojulkaisu]. Saatavissa https://ym.fi/hiilineutraalisuomi2035 [Viitattu 18.4.2021]
[2] Suomen virallinen tilasto (SVT): Energian hankinta ja kulutus [verkkojulkaisu]. 4.
Vuosineljännes 2020. Helsinki: Tilastokeskus. Saatavissa:
https://www.stat.fi/til/ehk/2020/04/ehk_2020_04_2021-04-16_tie_001_fi.html [viitattu: 18.4.2021]
[3] Suomen virallinen tilasto (SVT): Asumisen energiankulutus [verkkojulkaisu].
2018, 1. Asuinrakennusten päälämmönlähteiden kehitys 2010-luvulla. Helsinki:
Tilastokeskus. Saatavissa: https://www.stat.fi/til/asen/2018/asen_2018_2019- 11-21_kat_001_fi.html [viitattu: 18.4.2021]
[4] Ympäristöministeriö. Öljylämmityksestä luopuminen [verkkojulkaisu]. Saata- vissa: https://ym.fi/oljylammityksesta-luopuminen [Viitattu 18.4.2021]
[5] Struchtrup, H. Thermodynamics and Energy Conversion. University of Victoria, Dept. Mechanical Engineering. 2014.
[6] Zogg, M. History of Heat Pumps. Swiss Federal Office of Energy. Oberburg, Switzerland 2008.
[7] Kylmäaineiden jaottelu [verkkojulkaisu]. Darment Oy, 2019. Saatavissa:
https://darment.fi/kylmaaineiden-jaottelu/ [viitattu 28.6.].
[8] Aittomäki, A., Aalto, E., Alijoki, T., Hakala, P., Hirvelä, A., Kaappola, E., Men- tula, J. & Seinelä, A. Kylmätekniikka. 3.painos. Helsinki 2008, Gummerus Kirja- paino Oy.
[9] Fadejev, J., Simson, R., Kurnitski, J. & Haghighat, F. A review on energy piles design, sizing and modelling. Energy, Vol. 122, 2017, pp.390–407.
[10] Juvonen, J. & Lapinlampi T. Energiakaivo, Maalämmön hyödyntäminen pienta- loissa [verkkojulkaisu]. Helsinki 2013, Edita Prima Oy. Saatavissa:
https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf?se- quence=4&isAllowed=y
[11] Bächler, D. Coupled Thermal-Hydraulic-Chemical Modelling at the Soultz-sous- Forets HDR Reservoir. Swiss federal institute of technology Zurich. Doctoral thesis. 2003.
[12] Peura, J. Maanalaista Energiaa [verkkojulkaisu]. Geoteknisen osaston julkaisu 97. Helsinki, 2017. Saatavissa: https://www.hel.fi/static/kv/Geo/Julkaisut/jul- kaisu97.pdf
[13] Huusko, A., Lahtinen, H., Martinkauppi, A., Putkinen, N., Putkinen, S. & Wik, H.
Keski-Suomen geoenergiapotentiaali. Geologian tutkimuskeskus, Länsi-Suo- men yksikkö. Kokkola, 2015.
[14] Nordberg, J. & Rask, M. Suomen ensimmäinen geoterminen lämpövoimala Ota- niemessä. Aalto-yliopisto, kauppakorkeakoulu, johtamisen laitos. Helsinki, 2020.
https://aaltodoc.aalto.fi/bitstream/han-
dle/123456789/43225/isbn9789526089492.pdf?sequence=1&isAllowed=y [vii- tattu 29.6.]
[15] Lauttamäki, V. & Kallio, J. Geoenergiasta liiketoimintaa. Geologian tutkimuskes- kus, tutkimusraportti 206. Espoo, 2013.
[16] Abubakar, K. S., Rao M. S., Amis, T. & Ignazio, C. A review on the performance of geothermal energy pile foundation, it’s design process and applications.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 106, 2019, pp.54–78.
[17] Abbasali, A. M., Soheil, P., Behrad, B. & Hossein, L. Energy pile foundation sim- ulation for different configurations of ground source heat exchanger. Interna- tional Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 70, 2016, pp. 105–114.
[18] Mäkiranta, A., Marinkauppi, B. & Hiltunen E. Seabed sediment: a natural sea- sonal heat storage feasibility study. Agronomy Research, Vol. 15, 2017, pp.
1101–1106.
[19] Talotekniikka-Julkaisut Oy. Vaasan asuntomessualue esittelee useita energia- alan innovaatioita ensimmäisenä maailmassa [verkkojulkaisu]. Saatavissa:
https://talotekniikka-lehti.fi/vaasan-asuntomessualue-esittelee-useita-energia- alan-innovaatioita-ensimmaisena-maailmassa/ [viitattu 22.6.2021]
[20] Perälä, R. Lämpöpumput: suomalainen käsikirja aikamme lämmitysjärjestel- mästä. Tallinna 2009, Alfamer Oy.
[21] Motiva Oy. Pientalon lämmitysjärjestelmät [verkkojulkaisu]. Saatavissa:
http://www.motiva.fi/files/4970/PientalonLammitysjarjestelmat.pdf [Viitattu 15.3.2021]
[22] Burk, C. Techno-Economic Modeling for New Technology Development. Tech- Connect Briefs 2017, TechConnect.org. Burk Engineering LLC, Salt Lake City, UT, USA.
[23] Ympäristöministeriö. Suomenrakentamismääräyskokoelma: Energiatehokkuus, Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskenta. Helsinki 2017.
[24] Terveyden ja hyvinvoinninlaitos. Legionellaa koskeva lainsäädäntö ja ohjeistus [verkkojulkaisu]. Saatavissa: https://thl.fi/fi/web/ymparistoterveys/vesi/legionella- bakteerit-vesijarjestelmissa/legionellaa-koskeva-lainsaadanto-ja-ohjeistus [Vii- tattu 18.4.2021]
[25] Motiva Oy. Lämpöä omasta maasta [verkkojulkaisu]. Saatavissa:
https://www.motiva.fi/files/7965/Lampoa_omasta_maasta_Maalampopumput.pdf [Viitattu 20.5.2021]
[26] Vimpari, J. Should energy efficiency subsidies be tied into housing prices? Envi- ronmental research letters, Vol. 16, Num. 6, 2021.
[27] Useampi lämpöpumppuja mainostavan yrityksen nettisivut. Mm. https://lampo- ykkonen.fi/ [Viitattu 20.6.2021]
[28] Rokas, V., Rao, M.S., Jurelionis, A. & Vaiciunas, J. A review of heat pump sys- tems and applications in cold climates: evidence from Lithuania. Energies; Ba- sel, Vol. 12, Iss. 22, 2019.
[29] Chung-Eun, M. & Jong Min, C. Heating performance characteristics of the ground source heat pump system with energy-piles and energy-slabs. Energy, Vol. 81, 2015, pp. 27–32.
[30] Kojo, A.A. & Jong Min, C. Current status of the performance of GSHP (ground source heat pump) units in the Republic of Korea. Energy, Vol. 47, Iss. 1, 2021, pp. 77–82.
[31] Yaning, Z., Qin, M., Bingxi, L., Xinmeng, F. & Zhongbin, F. Application of an air source heat pump (ASHP) for heating in Harbin, the coldest provincial capital of China. Energy and Buildings, Vol. 138, 2017, pp. 96–103.
[32] Correa, F. & Cuevas, C. Air-water heat pump modelling for residential heating and domestic hot water in Chile. Applied Thermal Engineering, Vol. 143, 2018, pp. 594–606.
[33] Tiihonen, A. Asumisväljyys lisääntyy hitaasti [verkkojulkaisu]. Tilastokeskus, 2010. Saatavissa: https://www.stat.fi/tup/vl2010/art_2011-10-18_001.html [vii- tattu: 7.6.2021].
[34] Suomen virallinen tilasto (SVT): Asunnot ja asuinolot [verkkojulkaisu]. Helsinki, Tilastokeskus. Saatavissa: https://www.tilastokeskus.fi/tup/suoluk/suoluk_asu- minen.html [viitattu: 7.6.2021].
[35] Tilasto: Energian hinnat [verkkojulkaisu]. 2021, liitetaulukko 3. Lämmitysener- gian kuluttajahintoja maaliskuussa 2021. Helsinki, Tilastokeskus. Saatavissa:
https://www.stat.fi/til/ehi/2021/01/ehi_2021_01_2021-06-10_tau_003_fi.html [vii- tattu: 7.6.2021].
[36] Hast, A., Ekholm, T. & Syri, S. What is needed to phase out residential oil heat- ing in Finnish single-family houses? Sustainable Cities and Society, Vol. 22, 2016, pp. 49–62.
[37] Giglio, S., Maggiori, M., Rao K., Stroebel, J. & Weber, A. Climate Change and Long-Run Discount Rates: Evidence from Real Estate. The Review of Financial Studies, Volume 34, Iss. 8, 2021, pp. 3257–3571.
