Timo Kakriainen
AURINKO- JA MAALÄMMÖN HYBRIDIJÄRJESTELMÄ PALVELUTALOSSA
Diplomityö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Toukokuu 2020
TIIVISTELMÄ
Timo Kakriainen: Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmä palvelutalossa Diplomityö
Tampereen yliopisto
Konetekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelma Toukokuu 2020
Diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin kuvitteelliseen palvelutaloon rakennettavan aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän elinkaarikustannuksia kahdella eri aurinko- ja maalämmön hyb- ridijärjestelmän kytkentävaihtoehdolla. Elinkaarikustannusten vertailuun otettiin mukaan myös maalämpöjärjestelmä. Diplomityön tavoitteena oli löytää elinkaarikustannuksiltaan edullisin läm- mitysjärjestelmävaihtoehto.
Diplomityön teoriaosuudessa esitellään aurinkolämpöön, maalämpöön, rakennuksen lämmi- tysenergiankulutukseen ja elinkaarikustannuksiin liittyviä asioita. Aurinkolämmöstä esitellään pe- rusteet aurinkoenergiasta ja sen saatavuudesta. Myös aurinkolämmöstä käsitellään teoriaa eri aurinkokeräintyypeistä ja esitellään aurinkolämpöjärjestelmään kuuluvat komponentit. Maaläm- möstä esitetään perusteet maaperästä saatavasta lämmöstä. Maalämmössä esitetään myös läm- pöpumppuihin liittyvän kylmäaineen kiertoprosessin teoria. Rakennuksen lämmitysenergiankulu- tuksen teoriaosuudessa esitetään tekijät, joista rakennuksen lämmitysenergiankulutus muodos- tuu. Elinkaarikustannuksen teoriaosuudessa esitetään, mistä tekijöistä elinkaarikustannukset muodostuvat. Elinkaarikustannusten teoriaosuudessa esitetään myös eri investointilaskentame- netelmiä, joilla voi tarkastella investointien elinkaarikustannuksia.
Diplomityön case-työssä simuloitiin ensiksi kuvitteelliselle palvelutalolle vuotuiset lämmitys- energiankulutukset eri tekijöille. Kuvitteellisen palvelutalon vuotuiset tilojen ja ilmanvaihdon läm- mitysenergiankulutukset laskettiin RIUSKA-simulointiohjelmalla. Vuotuinen lämpimän käyttöve- den lämmitysenergiankulutus arvioitiin Motivan tilastojen pohjalta. Vuotuiset simuloidut lämmitys- energiankulutukset siirrettiin Excel-taulukkolaskentaohjelmaan. Excel-taulukkolaskentaohjelman avulla laadittiin useita taulukkolaskentatiedostoja vuotuisen ostoenergiankulutuksen laskentaan.
Taulukkolaskentatiedostoilla laskettiin aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentäta- voille 1 ja 2 sekä maalämpöjärjestelmälle vuotuiset ostoenergiankulutukset eri muuttujien mu- kaan. Tarkasteltaviksi muuttujiksi valittiin maalämpöpumpun mitoitusteho ja aurinkokeräimien lu- kumäärä. Maalämpöpumpun mitoitustehoiksi valittiin 50-60-70-80-90-100 %. Aurinkokeräimien kappalemääriksi valittiin 10-20-30-40-50-60-70-80-90-100 kpl. Tarkasteltavia maalämpöpumpun mitoitustehon ja aurinkokeräimien lukumäärän yhdistelmiä muodostui edellä mainittujen muuttu- jien pohjalta 126 kappaletta. Elinkaarikustannukset aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätavalle 1 ja 2 sekä maalämpöjärjestelmälle laskettiin taulukkolaskentatiedostoihin laadit- tujen laskurien avulla. Elinkaarikustannuslaskennassa käytettiin energian hintamuutoksena 2 % ja tarkastelujaksoksi valittiin 20 vuotta. Elinkaarikustannuksille tehtiin herkkyystarkastelu kahdella energian hintamuutoksena, jotka olivat 5 % ja 8 %.
Tarkasteltavalle kuvitteelliselle palvelutalolle elinkaarikustannuksiltaan edullisin lämmitysjär- jestelmä on maalämpöpumppujärjestelmä, jossa maalämpöpumppu on mitoitettu 50 %-teholle.
Tarkasteltaessa pelkästään aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätapoja 1 ja 2 elin- kaarikustannuksiltaan edullisin järjestelmä on aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytken- tätapa 2, jossa maalämpöpumppu on mitoitettu 50 %-teholle ja aurinkokeräimiä on 10 kpl. Elin- kaarikustannusten herkkyystarkastelu ei muuta tilannetta elinkaarikustannuksiltaan edullisimman lämmitysjärjestelmän osalta.
Avainsanat: Maalämpö, aurinkolämpö, elinkaarikustannus
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Timo Kakriainen: Solar and geothermal hybrid system in residential care house Master thesis
Tampere University
Master’s Degree Programme in Mechanical Engineering May 2020
This Master thesis investigated and compared two types of solar and geothermal hybrid sys- tems for the imaginary residential care home. The aim was to find the most cost-effective heating system in terms of life cycle costs.
In the theoretical part of the thesis, topics related to solar heating, geothermal heating, building heating demands and life cycle costs were discussed. With regard to solar heating, basics of solar energy and its availability were presented. In addition, different types of solar thermal collectors and components of solar heating systems were described. For the geothermal heating, the prin- ciples of extracting heat from the ground were discussed. Furthermore, the theoretical basis of the refrigerant cycle of heat pumps was given. The factors forming heating energy consumption of buildings were outlined. The theoretical part of the life cycle costs considered the factors af- fecting the life cycle costs. Also, different investment methods that can be used to examine the life cycle costs of investment were discussed.
In the case study of the thesis, annual energy consumptions of imaginary residential care home were first simulated for different factors. The energy required for heating of building space and air ventilation were calculated by simulation program called RIUSKA. The heating energy consumption for domestic hot water was evaluated based on statistics from Motiva. The simulated annual heating energy consumption results were transferred to Excel-program. Many different Excel spreadsheet files were created to calculate the amounts of annually purchased energy.
Calculations were performed to determine the annual consumption of purchased energy for solar and geothermal hybrid systems with connection types 1 and 2 as well as for geothermal system considering different factors. Factors that were selected for consideration were the rated power of geothermal heat pump and the number of solar thermal collectors. The rated power of geother- mal heat pump was selected as 50-60-70-80-90-100 %, whereas the number of solar thermal collectors was chosen to be 10-20-30-40-50-60-70-80-90-100. Altogether, these form 126 com- binations of the geothermal heat pump rated power and the number of solar thermal collectors.
The life cycle costs for the solar and geothermal hybrid system with connection types 1 and 2 and for the geothermal system were calculated with the help of different calculators which were made to spreadsheet files. In the life cycle cost calculations, the energy price change of 2 % and the review period of 20 years were used. A sensitivity analysis of the life cycle costs was also con- ducted for two different energy price changes of 5 % and 8 %.
The life cycle costs of the heating system in the studied imaginary residentical care home were the lowest for the geothermal system with a geothermal heat pump at rated power of 50 %. For the solar and geothermal hybrid system with connection types 1 and 2, the lowest life cycle costs were obtained with connection type 2, where the geothermal heat pump had rated power of 50 % and the number of solar thermal collectors was 10. The sensitivity analysis did not change the situation regarding the most cost-efficient heating system in terms of life cycle costs.
Keywords: Geothermal heating, solar heating, life cycle cost
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Diplomityö tehtiin osaksi diplomi-insinöörin tutkinnon suorittamista Tampereen yliopis- tossa. Työ tutkinnon suorittaminen alkoi jo edes menneen Tampereen teknillisen yliopis- ton aikoihin. Kiitokset diplomityön ohjaajalleni Seppo Syrjälälle kärsivällisyydestä ja hy- vistä neuvoista diplomityön teon aikana. Myös kiitokset Hannu Ahlstedtille hyvistä kom- menteista ja neuvoista liittyen diplomityöhön. Ilman heitä ei työ olisi ikinä valmistunut.
Granlund Kuopio Oy:n henkilökunnalle erityiskiitokset, että ovat jaksaneet kuunnella huonoja juttujani ja marinoita diplomityön tehon tiimoilta. Granlund Kuopio Oy:lle kiitos, että sain käyttää yrityksen ohjelmistoja ja työkaluja diplomityön tekoon. Lopuksi haluan kiittää läheisiäni, jotka jaksoivat muistuttaa diplomityön teon tarpeellisuudesta valmistu- misen suhteen, vaikka itselläni saattoi välillä ajatukset olla ns. syvissä vesissä diplomi- työn teon suhteen.
Kuopiossa, 20.5.2020
Timo Kakriainen
SISÄLLYSLUETTELO
1.JOHDANTO ... 1
2.AURINKOLÄMPÖ ... 2
2.1 Auringon säteily maapallolle ... 2
2.2 Pintaan osuva auringon kokonaissäteily ... 4
2.3 Auringon säteilyenergian määrään vaikuttavat tekijät ... 6
2.3.1 Sää ... 6
2.3.2 Paikkakunnan sijainti ja vuodenaika ... 7
2.3.3 Aurinkokeräimien suuntaus ja kallistuskulma ... 8
2.4 Auringon säteily Suomessa ... 10
2.5 Aurinkolämpöjärjestelmä ... 11
2.6 Aurinkokeräimet ... 12
2.6.1 Tasokeräin ... 12
2.6.2 Tyhjiöputkikeräin ... 14
2.7 Aurinkokeräimen hyötysuhde ... 15
2.8 Aurinkolämpöjärjestelmän muut komponentit ... 16
2.8.1 Pumppu ... 16
2.8.2 Lämmönsiirrin ... 18
2.8.3 Energiavaraaja ... 19
2.8.4 Säätöjärjestelmä ... 20
3.MAALÄMPÖ ... 21
3.1 Kylmäaineen kiertoprosessi teoriassa ... 21
3.2 Kylmäaineen kiertoprosessi käytännössä ... 22
3.3 Maalämpöpumpun toimintaperiaate ... 22
3.4 Maalämpöpumpun lämmönkeruupiirin lämmönlähteet ... 23
3.4.1 Vesistö ... 23
3.4.2 Maaperä ... 24
3.4.3 Energiakaivo ... 26
3.5 Maalämpöpumpun lämpökerroin ... 30
4.RAKENNUKSEN LÄMMITYSENERGIANKULUTUS ... 33
4.1 Rakennuksen tilojen lämmitysenergiankulutus ... 33
4.2 Rakennuksen ilmanvaihdon lämmitysenergiankulutus ... 35
4.3 Rakennuksen lämpimän käyttöveden lämmitysenergiankulutus ... 36
5.ELINKAARIKUSTANNUSLASKENTA ... 40
5.1 Elinkaarikustannuslaskennan perusteet ... 40
5.2 Elinkaarikustannusten muodostuminen ... 40
5.3 Elinkaarikustannusten laskentamenetelmät ... 41
5.3.1 Nykyarvomenetelmä ... 41
5.3.2 Sisäinen korko ... 42
5.3.3 Annuiteettimenetelmä ... 42
6.CASE-TAPAUS: PALVELUTALON AURINKO- JA MAALÄMMÖN
HYBRIDIJÄRJESTELMÄN ELINKAARITARKASTELU ... 44
6.1 Tarkastelun kohde ... 44
6.2 Käytetyt ohjelmistot ... 44
6.3 Kuvitteellisen palvelutalon lämmitysenergian simulointi ... 45
6.3.1 Simuloinnissa käytetty säädata ... 45
6.3.2 Kuvitteellisen palvelutalon sijainti, sijoitus tontille ja geometriamalli simulointiin ... 45
6.3.3 Kuvitteellisen palvelutalon rakenteiden U-arvot, kylmäsillat ja ilmanvuotoluku ... 46
6.3.4 Kuvitteellisen palvelutalon ilmanvaihtojärjestelmä ... 47
6.3.5 Kuvitteellisen palvelutalon lämmönjako- ja luovutus sekä lämmityksen säätökäyrä ... 48
6.3.6 Kuvitteellisen palvelutalon sisäiset lämpökuormat ... 49
6.3.7 Kuvitteellisen palvelutalon lämpimän käyttöveden vuorokautinen kulutusprofiili ... 50
6.4 Kuvitteellisen palvelutalon tuntitasoisen lämmitysenergiankulutuksen simuloinnin tulokset ... 51
6.5 Maalämpöjärjestelmän kytkentäkaavio ... 52
6.6 Maalämpöjärjestelmän vuotuinen ostoenergiankulutus ... 53
6.7 Maalämpöjärjestelmän elinkaarikustannuslaskenta ... 56
6.8 Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmä kytkentätapa 1 ja 2 kytkentäkaaviot ... 58
6.9 Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmä kytkentätapa 1 ja 2 vuotuinen ostoenergiankulutus ... 60
6.10 Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmä kytkentätapa 1 ja 2 elinkaarikustannukset ... 66
6.11 Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmien kytkentätapa 1 ja kytkentätapa 2 sekä maalämpöjärjestelmän elinkaarikustannuksien vertailu ... 73
6.12 Herkkyystarkastelu ... 75
7.YHTEENVETO ... 79
LÄHTEET ... 80
LIITE A: MAALÄMPÖPUMPPUJEN MITOITUSAJOT ... 84 LIITE B: TUNTIKOHTAINEN AURINGON SÄTEILYINTENSITEETTI ETELÄÄN SUUNNATULLE JA 45° KALLISTUSKULMAN TASOPINNALLE ERI KUUKAUSINA . 90
LYHENTEET JA MERKINNÄT
IDN Auringon säteilyn intensiteetti maanpinnalla
I0 Aurinkovakio
t Ilmakehän kirkkaudesta riippuva tekijä
m Ilmakehän paksuuden suhde auringon säteilyn siinä kulkemaan matkaan
S Auringonsäteilyn kulkema matka tarkastelupisteeseen Smin Auringonsäteilyn lyhin kulkema matka tarkastelupisteeseen h Auringon ja vaakatasossa olevan tarkastelupisteen välinen kulma ID Pintaan osuvan suoran auringonsäteilyn intensiteetti
IDNN Pintaan kohtisuoraan osuvan suoran auringonsäteilyn intensiteetti i Pinnan normaalin ja suoran säteilyn välinen kulma
ha Auringon korkeuskulma
g Pinnan kaltevuus
a Auringon atsimuuttikulma
a Pinnan suuntakulma
Idp Tasopinnalle lankeava hajasäteily
IdH Vaakatasossa olevalle tasopinnalle lankeava hajasäteily
Fpt Taivaan näkyvyyskerroin tasopinnasta p esteettömälle horisontille IRp Tasopintaan osuva heijastunut auringonsäteily
ITH Vaakatasossa olevalle tasopinnalle osuvan auringon kokonaissä- teily
rh Heijastavan tasopinnan heijastussuhde
Fpm Tarkasteltavan ja heijastavan tasopinnan välinen näkyvyyskerroin hcoll Aurinkokeräimen hyötysuhde
ta Aurinkokeräimen lasin absorption läpäisevyys
Gt Kokonaisauringonsäteilyenergia aurinkokeräimen pintaan Ti Aurinkokeräimeen menevän lämmönsiirtonesteen lämpötila Ta Aurinkokeräintä ympäröivän ilman lämpötila
UL Aurinkokeräimen kokonaislämmönläpäisykerroin
FR Lämmönsiirtokerroin, joka on jokaiselle aurinkokeräimelle omansa h0 Aurinkokeräimen nollahäviön hyötysuhde
a1 Aurinkokeräimen konvektiivisen lämmönsiirron huomioon ottava lämmönläpäisykerroin
Tm Aurinkokeräimen lämmönsiirtonesteen meno- ja paluulämpötilan keskiarvo
a2 Aurinkokeräimen säteilylämmönsiirron huomioon ottama lämmönlä- päisykerroin
H Kiertovesipumpun nostokorkeus
Dpt Kiertovesipumpun paineaukon ja imuaukon välinen kokonaispaine- ero (häviöttömässä pumppauksessa)
r Nesteen tiheys
g Yleinen gravitaatiovakio
hh Kiertovesipumpun hydraulinen hyötysuhde Dptod Kiertovesipumpun todellinen paineentuotto Ph Kiertovesipumpun hydraulinen teho
qv Nesteen tilavuusvirta
Pa Kiertovesipumpun tarvitsema akseliteho h Kiertovesipumpun kokonaishyötysuhde hp Kiertovesipumpun hyötysuhde
hs Sähkömoottorin hyötysuhde hv Voimansiirron hyötysuhde
hk Akselin hyötysuhde
Ps Kiertovesipumpun sähköverkosta ottama teho e Lämmönsiirtimen rekuperaatioaste
T2 Lämmönsiirtimessä virtaavan ainevirran loppulämpötila T1 Lämmönsiirtimessä virtaavan ainevirran alkulämpötila
T3 Lämmönsiirtimessä virtaavan ainevirran maksimimaalinen loppu- lämpötila
f Lämmönsiirtimen lämpöteho
r1 Ainevirran 1 tiheys qv1 Ainevirran 1 tilavuusvirta
cp1 Ainevirran 1 ominaislämpökapasiteetti
T11 Ainevirran 1 ennen lämmönsiirrintä oleva lämpötila T12 Ainevirran 1 lämmönsiirtimen jälkeinen lämpötila r2 Ainevirran 2 tiheys
qv2 Ainevirran 2 tilavuusvirta
cp2 Ainevirran 2 ominaislämpökapasiteetti
T21 Ainevirran 2 ennen lämmönsiirrintä oleva lämpötila T22 Ainevirran 2 lämmönsiirtimen jälkeinen lämpötila DTlog Logaritminen keskilämpötilaero
G Lämmönsiirtimen konduktanssi
Qev Energiavaraajan lämpösisältö
V Nesteen tilavuus
cp Nesteen ominaislämpökapasiteetti
Qek Energiakaivolla saatava teoreettinen jatkuva lämpöteho stationääri- tilanteessa
lk Kivilajin lämmönjohtavuus hek Energiakaivon syvyys
T0 Kallion häiriintymätön lämpötila
Th Energiakaivon seinämän alin sallittu lämpötila dek Energiakaivon halkaisija
COP Lämpöpumpun lämpökerroin
flämpö Lämpöpumpusta hyödyksi saatu lämpöenergia
Pk Lämpöpumpun kompressoriin syötetty sähköenergia
h2 Lämpöpumpussa kylmäaineen entalpia kompressorin puristuksen jälkeen
h3 Lämpöpumpussa kylmäaineen entalpia lauhduttimen jälkeen, jolloin kylmäaine on luovuttanut lämpönsä muuttuen kaasusta nesteeksi h1 Lämpöpumpun kylmäaineen entalpia ennen kompressoria
Qjoht Rakennuksen vaipan johtumislämpöhäviöt
Qulkoseinä Johtumislämpöhäviöt ulkoseinän läpi
Qyläpohja Johtumislämpöhäviöt yläpohjan läpi
Qalapohja Johtumislämpöhäviöt alapohjan läpi
Qikkunat Johtumislämpöhäviöt ikkunan läpi
Qulko-ovet Johtumislämpöhäviöt ulko-ovien läpi
Qkylmäsillat Johtumislämpöhäviöt kylmäsiltojen läpi
Qrakosa Rakennusosan johtumislämpöhäviöt
Ui Rakennusosan i lämmönläpäisykerroin Ai Rakennusosan i pinta-ala
Ts Sisäilman lämpötila Tu Ulkoilman lämpötila
Dt Laskettavan ajanjakson pituus
Yk Viivamaisen kylmäsillan lisäkonduktanssi lk Viivamaisen kylmäsillan pituus
qv,vuotoilma Rakennuksen vuotoilmavirta
q50 Rakennuksen vaipan ilmanvuotoluku
Avaippa Rakennuksen vaipan pinta-ala
x Kerroin, joka 1-kerroksiselle rakennukselle on 35, 2-kerroksiselle ra- kennukselle 24, 3- ja 4-kerroksiselle rakennukselle 20 ja 5-kerroksi- selle rakennukselle ja sitä enemmän 15
fLTO Lämmöntalteenottolaitteella saatu talteen keskimääräinen lämpö- teho
ha,iv Ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton poistoilman vuosihyöty- suhde
td Ilmanvaihtokoneen keskimääräinen vuorokautinen käyntiaikasuhde tv Ilmanvaihtokoneen viikoittainen käyntiaikasuhde
ri Ilman tiheys
cpi Ilman ominaislämpökapasiteetti
qv,poisto Ilmanvaihtokoneen poistoilmavirta
TLTO Ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton jälkeisen kuukauden keski- määräinen tuloilman lämpötila
qv,tulo Ilmanvaihtokoneen tuloilmavirta
Qiv Ilmanvaihtokoneen lämmitysenergiankulutus Tsp Tuloilman sisäänpuhalluslämpötila
DTpuhallin Lämpötilan nousu puhaltimessa
Qlv,netto Lämpimän käyttöveden lämmitysenergian nettokulutus
rv Veden tiheys
cpv Veden ominaislämpökapasiteetti Vlv Lämpimän käyttöveden kulutus Tlv Lämpimän käyttöveden lämpötila Tkv Kylmän käyttöveden lämpötila
Qlämmitys,lv Lämpimän käyttöveden lämmitysenergiankulutus
hlv Lämpimän käyttöveden siirron hyötysuhde
Qlv,kierto Lämpimän käyttöveden kierron lämmitysenergiankulutus
Llkv Lämpimän käyttöveden kiertojohdon pituus
Llkv,omin Lämpimän käyttöveden kiertojohdon ominaispituus
Anetto Rakennuksen lämmitetty nettoala
Qlv,kierto Lämpimän käyttöveden kiertojohdon lämmitysenergiankulutus
qlkv,kiertohäviö,omin Lämpimän käyttöveden kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho
N Nykyarvo
Tj Investoinnin tuotto vuonna j
Mj Investoinnin kustannukset vuonna j
H Hankintakustannus
J Jäännösarvo
n Pitoaika vuosina
ik Valittu laskentakorko ain Annuiteettitekijä
QLP Maalämpöpumppujärjestelmän tunnittainen ostoenergiankulutus QL Rakennuksen tunnittainen lämmitysenergiankulutus
COPL Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämmityksessä WL Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämmityk-
seen
QLV Rakennuksen tunnittainen lämpimän käyttöveden lämmitysener- giankulutus
COPLV Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämpimän käyttöve- den lämmityksessä
WLV Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämpimään käyttöveteen
WKP Kiertovesipumppujen tunnittainen sähköenergiankulutus
QLP1 Aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmän kytkentätapa 1 tunnittai- nen ostoenergiankulutus
COPL1 Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämmityksessä au- rinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 1
WL1 Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämmityk- seen aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 1 COPLV1 Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämpimän käyttöve-
den lämmityksessä aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 1
WLV1 Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämpimään käyttöveteen aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytken- tätapa 1
WKP1 Kiertovesipumppujen tunnittainen sähköenergiankulutus aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 1
COPL2 Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämmityksessä au- rinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 2
WL2 Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämmityk- seen aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 2 QAL Tunnittainen aurinkolämmöllä lämmitettävä lämpimän käyttöveden
lämmitysenergiankulutus
COPLV2 Maalämpöpumpun tunnittainen lämpökerroin lämpimän käyttöve- den lämmityksessä aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 2
WLV2 Maalämpöpumpun tunnittainen sähköenergiankulutus lämpimään käyttöveteen aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytken- tätapa 2
WKP2 Kiertovesipumppujen tunnittainen sähköenergiankulutus aurinko- ja maalämmönhybridijärjestelmässä kytkentätapa 2
.
1. JOHDANTO
Ihmisten ymmärrys ilmastonmuutoksesta ja energian hinnan nousu lisäävät painetta ke- hittää rakennuksien lämmitysenergiankulutuksen energiatehokkuutta. Myös Euroopan Unionin laatimat direktiivit rakennusten energiatehokkuudesta (2018/844/EU) ja uusiutu- van energian käytön lisäämisestä (2018/2001/EU) ohjaavat rakennusten lämmitysener- giankulutusta vähentävään suuntaan. Rakennusten lämmitysenergiankulutus riippuu monesta eri tekijästä mm. ulkolämpötilasta, rakenteista jne. Rakennusten lämmitysener- giankulutus oli vuonna 2016 n. 25 % koko vuoden energiankulutuksesta (Motiva 2017).
Kiristyvät rakennuksen energiantehokkuusvaatimukset ohjaavat toteuttamaan lämmitys- järjestelmät mahdollisimman energiatehokkaina. Tämä tarkoittaa, että tulevaisuudessa rakennuksien lämmitysjärjestelmiä toteutetaan enenevissä määrin hybridilämmitysjär- jestelminä. [1] [2] [3]
Työssä on tarkoitus tutkia ja vertailla aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kannat- tavuutta Kuopioon kuvitteellisesti rakennettavassa palvelutalossa. Työssä tarkastellaan ja vertaillaan kolmen eri lämmitysjärjestelmän elinkaarikustannuksia. Tarkasteltavat läm- mitysjärjestelmät ovat maalämpöjärjestelmä ja kahdella eri tavalla toteutettavaa aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmää. Työssä on lopullisena tavoitteena laskea edellä mai- nituista lämmitysjärjestelmistä elinkaarikustannuksiltaan edullisin vaihtoehto Kuopioon kuvitteellisesti rakennettavaan palvelutaloon.
Työn teoriaosuudessa käsitellään perusteita aurinkoenergiasta, aurinkolämpöjärjestel- mästä, maalämmöstä, rakennuksen lämmitysenergiankulutuksesta ja elinkaarikustan- nuksista. Aurinkoenergiasta esitellään auringonsäteilyenergiaan liittyvää teoriaa ja käsi- tellään tekijöitä, jotka vaikuttavat auringonsäteilyenergian tuottoon. Aurinkolämpöjärjes- telmästä käydään pintapuolisesti läpi aurinkolämpöjärjestelmän komponentit ja rakenne.
Tarkemmin syvennytään aurinkokeräimien teoriaan ja käsitellään nestekiertoisia keräin- tyyppejä. Rakennuksen lämmitysenergiakulutuksen teoriaosuudessa käydään läpi teki- jät, joista rakennuksen lämmitysenergiankulutus muodostuu. Rakennuksen lämmitys- energiankulutuksen teoriaosuudessa käydään läpi Suomen rakentamismääräyskokoel- massa esitettyjä lähtötietoja rakennuksen lämmitysenergiankulutuksen laskentaan. Elin- kaarikustannusten teoriaosuudessa käsitellään elinkaarikustannusten laskentamenetel- miä ja käydään läpi tekijät, joista elinkaarikustannukset muodostuvat.
Case-tapauksessa kuvitteelliselle palvelutalolle simuloidaan vuotuiset lämmitysenergi- ankulutukset. Kuvitteellisen palvelutalon vuotuiset lämmitysenergiankulutukset jakautu- vat kolmeen eri osatekijään, joita ovat tilojen, ilmanvaihdon ja lämpimän käyttöveden lämmitysenergiankulutukset. Kuvitteelliselle palvelutalolle simuloitujen vuotuisten lämmi- tysenergiankulutusten avulla laaditaan Excel-ohjelmalla laskentataulukot ostoenergian- kulutuksen laskentaan kolmelle eri lämmitysjärjestelmälle. Kolmelle eri lämmitysjärjes- telmälle laaditaan Excel-ohjelmalla laskentataulukot elinkaarikustannusten laskentaan.
Ostoenergiankulutuksen ja elinkaarikustannusten laskennassa muuttujina ovat aurinko- keräimien lukumäärä ja maalämpöpumpun mitoitusteho.
2. AURINKOLÄMPÖ
2.1 Auringon säteily maapallolle
Auringon säteilyn kokonaisteho on n. 3,8 x 1026 W. Auringon säteilyn kokonaistehosta saavuttaa hyvin pieni osa maapallon eli n. 1,8 x 1017 W. Maapallon ilmakehän ulkopuo- lella auringon säteilyn intensiteetti pysyy likimain vakiona. Auringon säteilyn intensiteettiä kutsutaan myös nimellä aurinkovakio ja aurinkovakion arvo on keskimäärin I0 = 1353 W/m2. Aurinkovakio vaihtelee vuodenaikojen mukaan ollen suurimmallaan vuodenvaih- teessa ja pienimmillään kesällä. Aurinkovakion vaihteluväli on ±3 %. Kuvassa 1 nähdään syy auringon säteilyn kokonaistehon pienemiselle ennen kuin se saavuttaa maapallon., Ennen maapalloa auringon säteily teho pienenee, koska se leviää pallomaisessa geo- metrissa, avaruus käsitetään tyhjiönä, joka ei vaimenna säteilyä. [4]
Kuva 1. Auringon ja maapallon etäisyys ja mittasuhteet.
Auringon säteily jakautuu eri aallonpituuksille siten, että auringon säteilyn spektrinen in- tensiteetti vastaa suurin piirtein mustan kappaleen säteilyä, jonka lämpötila on 5762 K.
Auringon säteilyn jakauma eri aallonpituuksille eroaa merkittävästi huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden emittoimasta säteilystä. Säteilyspektrin huippu osuu aallonpituu- delle lmax, joka muodostuu säteilevän kappaleen lämpötilan T ja säteilyspektrin huipun lmax tulona siten, että lmax T = 2897 Kµm. Säteilyn kokonaisenergia laskee lämpötilan mukana voimakkaasti verrannollisena absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin.
Auringon säteilytehon jakauma eri aallonpituuksille on esitetty taulukossa 1 ja kuvassa 2 on esitetty auringon säteilytehon jakautuminen eri aallon pituuksille. Kuvasta 2 näkee, niin näkyvän valon alueelle osuva auringon säteilyteho on 47,3 % auringon säteilyn ko- konaistehosta. [4]
Taulukko 1. Auringon säteilytehon jakautuminen eri aallonpituuksille. [7]
Aallonpituusalue Osuus auringon säteilyn kokonaistehosta
(µm) (%)
> 0,38 7,00
0,39…0,44 6,73
0,45…0,50 8,87
0,51…0,55 6,78
0,56…0,60 6,30
0,61…0,70 11,2
0,71…0,80 7,31
0,81…0,90 9,18
0,91…1,00 6,12
1,01…1,20 8,91
1,21…1,40 5,93
1,41…1,60 4,28
1,61…2,00 4,88
> 2,10 6,51
Kuva 2. Auringon säteilytehon jakautuminen eri aallonpituuksille. [4]
Auringonsäteilyteho heikkenee ilmakehässä sitä enemmän mitä pidemmän matka aurin- gonsäteily joutuu ilmakehässä kulkemaan. Auringon säteilytehon heikkeneminen johtuu suurimolekyylisistä kaasuista ja hiukkasista, jotka absorboivat auringon säteilytehoa it- seensä. Auringon säteilyn intensiteetti saadaan kaavasta (1). [4]
𝐼!"= 𝐼# 𝜏$, (1)
jossa IDN on auringon säteilyn intensiteetti maanpinnalla, I0 on aurinkovakio, t on ilmake- hän kirkkaudesta riippuva tekijä 0,62 (pilvinen)…0,74 (kirkas) ja m on ilmakehän pak- suuden suhde auringon säteilyn siinä kulkemaan matkaan, mikä saadaan laskettua kaa- vasta (2). [4]
𝑚 = %
%!"# = &
'() *, (2)
jossa S on auringon säteilyn kulkema matka tarkastelupisteeseen, Smin on auringon sä- teilyn lyhin kulkema matka tarkastelupisteeseen ja h on auringon ja vaakatasossa olevan tarkastelupisteen pinnan välinen kulma. Kuvasta 3 nähdään, että auringon ja tarkastelu- pisteen välisen kulman ollessa 90 astetta, niin auringon säteily kulkema matka ilmake- hän läpi on lyhin. Auringon ja tarkastelupisteen välisen kulman pienetessä auringon
säteilyn kulkema matka ilmakehän läpi kasvaa. Auringon säteilyn kulkeman matkan il- makehä läpi kasvaessa vähenee auringon säteilyn määrä tarkastelupisteessä, koska isompi osa auringon säteilystä absorboituu ja heijastuu ilmakehän hiukkasista. [4]
Kuva 3. Ilmakehän paksuuden suhdetta auringon säteilyn siinä kulkemaan matkaan m tarvittavat tekijät. [1]
2.2 Pintaan osuva auringon kokonaissäteily
Pintaan osuva auringon kokonaissäteily muodostuu kolmesta eri tekijästä, joita ovat suora auringonsäteily ID, hajasäteily eli diffuusisäteily Id ja heijastunut säteily IR. Suora säteily on suoraan auringosta pintaan osuva säteily ja se on kokonais- ja hajasäteilyn erotus. Hajasäteily on ilmakehässä hiukkasista sironnut suuntaansa muuttanut säteily.
Heijastunut säteily on maanpinnan heijastamaa suoraa ja hajasäteilyä. Kuvasta 4 näkee, että heijastunut säteily säteilee maasta ympäristöön. [4]
Kuva 4. Pinnan auringon kokonaissäteilyn muodostuminen kolmesta eri tekijästä. [4]
Suoran auringonsäteilyn intensiteetti riippuu pääasiassa auringon asemasta taivaalla ja pinnan suuntauksesta. Pinnan kohtaavan suoran auringonsäteilyn intensiteetin määrit- tämiseksi tarvitaan säteilyn osumakulma. Pinnan kohtaavan suoran auringonsäteilyn in- tensiteetti ID saadaan kaavasta (3). [4]
𝐼!= 𝐼!"" cos 𝑖, (3)
jossa ID on pintaan osuva suoran auringonsäteilyn intensiteetti, IDNN on pinnan normaalin eli kohtisuoraan osuvan suoran auringonsäteilyn intensiteetti ja i on pinnan normaalin ja suoran säteilyn välinen kulma. Kaltevan osumapinnan ja auringon säteilyn välinen osu- makulma saadaan kaavasta (4). [4] [7]
cos 𝑖 = cos ℎ+ cosf sin 𝛾 + sin ℎ cos 𝛾, (4)
jossa ha on auringon korkeuskulma, g on pinnan kaltevuus ja f on a - a, jossa a on auringon atsimuuttikulma ja a on pinnan suuntakulma eli etelästä myötä päivään etu- merkki + ja vastapäivään -. [7]
Auringon hajasäteily tasopinnalle tulee joka suunnasta. Auringon hajasäteily muodostuu suoran auringon säteilyn heijastuessa ilmakehässä olevista pienhiukkasista. Yleisimmin auringon hajasäteily mitataan vaakatasossa olevalle tasopinnalle. Vaakatasossa oleva tasopinta kohtaa koko taivaan, joten auringon hajasäteily on vaakatasossa olevassa ta- sopinnassa suurimmillaan. Yleinen oletus on, että auringon hajasäteily jakautuu tasan taivaalla. Vaakatasossa olevasta pinnasta poikkeavalle tasopinnalle lankeava auringon hajasäteily saadaan kaavasta (5). [7]
𝐼,- = 𝐼,. 𝐹-/, (5)
jossa Idp on tasopinnalle tuleva hajasäteily, IdH on vaakatasossa olevalle tasopinnalle tu- leva hajasäteily ja Fpt on taivaan näkyvyyskerroin tasopinnasta p esteettömälle horison- tille. [7]
Taivaan näkyvyyskerroin pinnasta p esteettömälle horisontille Fpt saadaan kaavasta (6).
Esteettömällä horisontilla tarkoitetaan, että auringon hajasäteilyn ja kohtaavan tasopin- nan välissä ei ole esteitä esimerkiksi rakennusta tai puustoa jne.
𝐹-/=(&123' 4)
6 , (6)
jossa Fpt on taivaan näkyvyyskerroin tasopinnasta p esteettömälle horisontille, g on tar- kasteltavan tasopinnan kallistuskulma. [7]
Tasopinnalle tulevan auringon kokonaissäteilyn määrittämiseen on otettava huomioon myös tasopinnoista heijastunut auringonsäteily. Tasopintaan osuva heijastunut aurin- gonsäteily arvioidaan vaakatasossa olevan tasopinnan auringon kokonaissäteilystä kaa- valla (7). [7]
𝐼7- = 𝐼8. 𝜌* 𝐹-$, (7)
jossa IRp on tasopintaan osuva heijastunut auringonsäteily, ITH on vaakatasossa olevalle tasopinnalle osuvan auringon kokonaissäteily, rh on heijastavan tasopinnan heijastus- suhde ja Fpm on tarkasteltavan ja heijastavan tasopinnan välinen näkyvyyskerroin. Tar- kasteltavan ja heijastavan tasopinnan välinen näkyvyyskerroin saadaan kaavalla (8).
[7]
𝐹-$ =(&123' 4)
6 , (8)
jossa g on tarkasteltavan ja heijastavan tasopinnan välinen kulma. Taulukossa 2 on esi- tetty eri pintojen heijastussuhteita auringon säteilylle. [7]
Taulukko 2. Eri pintojen heijastussuhteita auringon säteilylle.
Heijastava pinta Heijastussuhde
- -
Asfaltti 0,07
Betoni 0,2...0,45 (Likainen...puhdas)
Kuiva maa 0,1...0,2
Lumi keskimäärin 0,7
Maanpinnan vuotuinen keskiarvo 0,25
Värillinen pinta, valkoinen 0,6...0,75
Värillinen pinta, tummanruskea, sininen 0,2...0,3
Taulukosta 2 nähdään, että vaaleilla pinnoilla on suuri heijastussuhde auringon säteilylle verrattuna tummiin pintoihin kuten asfaltti. Toisin sanoen suurin osa vaaleaan pintaan kohdistuvasta auringon säteilystä heijastuu pois ja pienempi osa vaaleaan pintaan koh- distuvasta auringon säteilystä absorboituu pintaan lämmittäen sitä. Tästä syystä aurin- kokeräimissä käytetään pääasiassa tummia pintoja, jotta auringon säteilyä absorboituisi pinnalla mahdollisimman paljon lämmittäen pintaa.
2.3 Auringon säteilyenergian määrään vaikuttavat tekijät 2.3.1 Sää
Sää vaikuttaa voimakkaasti auringon säteilyenergian saantiin. Suomessa ilman sameus kasvaa kesällä, jolloin ilman sameus vähentää suoran auringonsäteilyn määrää 10- 15 %. Pilvien määrä taivaalla ja pilvien paksuus vaikuttavat suoran auringonsäteilyn määrään vähentävästi. Suora auringonsäteily pienenee merkittävästi yläpilvikerrok- sessa. Keskipilvikerroksessa olevat pilvet päästävät läpi vain osan suorasta auringonsä- teilystä ja alapilvikerroksessa olevat pilvet eivät päästä suoraa auringonsäteilyä ollen- kaan maan pinnalle. [8]
Pilvisyydessä on eroja vuodenajasta, säätyypistä ja paikallisista tekijöistä johtuen. Talvi- sin pilvipeite on useasti tasainen ja laaja. Kesällä on tyypillisesti konvektiopilviä taivaalla.
Sisempänä maata konvektiopilvet syntyvät puolenpäivän aikaan ja katoavat illalla. Edel- lisestä johtuen suurin säteilymäärä on aamupäivästä ja länsiseinälle tulee vähemmän auringon säteilyä kuin itäseinälle. Rannikollakin on kesällä selviä eroja auringonsäteilyn saannin suhteen. Suhteellisesti viileämmän vesialueen yläpuolelle ei muodostu konvek- tiopilviä kuten lämpimän maan yläpuolelle. Mantereella muodostuneet pilvet häviävät monesti tullessaan vesialueelle. Edellä mainituissa tilanteissa rantaviivan suunta aurin- koon nähden vaikuttaa auringon säteilyn saantiin. Kuvassa 5 on esitetty tuuli- ja pil- visyysolosuhteet rannikolla sekä pilvisyyden vaikutuksen auringon säteilyyn. [8]
Kuva 5. Tuuli- ja pilvisyysolosuhteet rannikolla sekä pilvisyyden vaikutus säteilyyn. [8]
Auringon säteilyenergian tuoton määrään vaikuttaa voimakkaasti erilaiset varjostukset aurinkokeräimien edessä. Erilaisia varjostuksia ovat esimerkiksi viereiset rakennukset, kasvillisuus ja puusto. Aurinkokeräimiä ei pitäisi koskaan asentaa varjoisaan paikkaan, koska niiden aurinkoenergian saanti pienenee huomattavasti. Yleisesti hyvä paikka au- rinkokeräimien sijoitukselle on rakennuksen katto, jolloin varjostavat tekijät edessä ovat suurella todennäköisyydellä mahdollisimman pienet. [8]
2.3.2 Paikkakunnan sijainti ja vuodenaika
Paikkakunnan maantieteellisellä sijainnilla on merkitystä, kun tarkastellaan auringon sä- teilytehoa ja vuotuista säteilyenergiamäärää eri paikkakunnilla. Lähempänä maapallon päiväntasaajaa olevalla paikkakunnalla auringon säteilyteho on voimakkaampaa kuin kauempana maapallon päiväntasaajasta olevalla paikkakunnalla. Myös vuotuinen aurin- gon säteilyenergian määrä on suurempaa lähempänä päiväntasaajaa olevalla paikka- kunnalla kuin kauempana maapallon päiväntasaajasta olevalla paikkakunnalla.
Taulukossa 3 on esitetty kuukausittaiset ja vuotuiset auringon säteilyenergiamäärät vaa- katasopinnalle eri paikkakunnilta. Kuukausittaiset auringon säteilyenergiamäärät eri paikkakunnilla on määritelty vuosien 2011-2016 keskiarvona. Paikkakunnat on valittu eri etäisyydeltä päiväntasaajasta, jotta nähdään miten paljon etäisyys päiväntasaajasta vai- kuttaa kuukausittaiseen auringon säteilyenergiamäärään. Taulukon 3 paikkakuntien kuu- kausittaiset auringon säteilyenergiamäärät on saatu käyttäen European Commission Joint Research Centerin kehittämää selainpohjaista laskentatyökalua auringon säteily- määrän ja aurinkosähkön potentiaalin arvioimiseen. Sovellus on ilmainen ja sen avulla voi tarkastella eri paikkakuntien auringon säteilyenergiamääriä kuukausi-, päivä- tai tun- titasolla. [6]
Taulukko 3. Eri paikkakuntien kuukausittainen ja vuotuinen auringon säteilyenergia- määrä vaakasuoralle tasopinnalle vuosien 2011-2016 keskiarvona.
Paikka-
kunta Kuopio Helsinki Frankfurt Malaga Nairobi
Maantie- teellinen sijainti
Leveyspiiri 62,89°
Pituuspiiri 27,68°
Leveyspiiri 60,17°
Pituuspiiri 24,94°
Leveyspiiri 50,11°
Pituuspiiri 8,68°
Leveyspiiri 36,72°
Pituuspiiri -4,42°
Leveyspiiri -1,29°
Pituuspiiri 36,82°
Auringon säteilyenergiamäärä vaakasuoralle tasopinnalle Kuukausi (kWh/m2) (kWh/m2) (kWh/m2) (kWh/m2) (kWh/m2)
Tammikuu 5,1 5,8 24,5 81,7 214,0
Helmikuu 17,9 15,9 44,0 105,7 200,0
Maaliskuu 67,4 60,6 95,3 153,0 215,2
Huhtikuu 105,2 104,4 136,2 182,8 169,8
Toukokuu 146,3 155,3 159,8 220,0 147,2
Kesäkuu 155,2 161,0 158,5 237,8 128,2
Heinäkuu 143,3 162,7 165,7 245,0 141,2
Elokuu 109,0 133,2 145,8 218,5 143,0
Syyskuu 57,1 73,6 97,0 166,2 172,3
Lokakuu 24,9 33,7 45,9 125,0 190,2
Marraskuu 5,5 8,4 29,5 85,5 164,8
Joulukuu 1,9 3,4 18,3 76,3 188,3
Vuosi 838,8 918 1120,5 1897,5 2074,2
Taulukosta 3 voi havaita, että mitä lähempänä maapallon päiväntasaajaa tarkasteltava paikkakunta sijaitsee, niin sitä tasaisemmin saadaan auringon säteilyenergiaa joka kuu- kausi. Taulukosta 3 huomataan, että Kuopissa auringon säteilyenergiaa saadaan n. 79
% koko vuoden auringon säteilyenergiasta huhti-elokuussa.
2.3.3 Aurinkokeräimien suuntaus ja kallistuskulma
Aurinkokeräimien suuntausta kutsutaan yleisimmin nimellä atsimuutti. Atsimuutti tarkoit- taa etelän ja auringon säteilyn vaakatason projektion välinen kulma. Suunnattaessa au- rinkokeräimet etelään atsimuuttikulma on 0o. Suunnattaessa aurinkokeräimet kaakkoon atsimuuttikulma on -45o. Suunnattaessa aurinkokeräimet lounaaseen atsimuuttikulma on 45o. Aurinkokeräimien suuntauksella vaikutetaan päivän aikana saatavaan auringon sä- teilyenergiaan. Jos haluaa painottaa aamulla ja aamupäivällä saatavaa auringon sätei- lyenergiaa, niin aurinkokeräimet kannattaa suunnata kohti kaakkoa. Jos haluaa painot- taa iltapäivällä ja illalla saatavaa auringon säteilyenergiaa, niin aurinkokeräimet kannat- taa suunnata kohti lounasta. Suuntaamalla aurinkokeräimet kohti etelää saa kokonai- suudessaan parhaimman määrän auringon säteilyenergiaa. [7]
Aurinkokeräimille paras kallistuskulma riippuu aurinkoenergiaa käyttävästä sovelluk- sesta ja ympäristön ominaisuuksista sekä sijainnista. Painotettaessa koko vuoden aurin- koenergian tuottoa, niin Suomessa paras kallistuskulma on n. 45°. Suomen eteläisissä osissa on paras kallistuskulma aavistuksen 45° kulmaa pienempi ja Suomen pohjoisissa osissa on paras kallistuskulma aavistuksen 45° kulmaa suurempi. Painotettaessa aurin- koenergian tuottoa kesällä riittää loivempikin kallistuskulma. Painotettaessa kevättalven tuottoa, niin aurinkokeräimet kannattaa asentaa pystympään kuin 45°. Suomessa kevät- talven tuottoa painotettaessa kallistuskulma kannattaa olla n. 60°. [8]
Taulukkoihin 4-6 on laskettu kuukausittainen auringon säteilyenergian tuotto tarkastelta- valle pinnalle eri kallistuskulmilla ja eri suuntauksilla Kuopiossa. Laskennassa on ole- tettu, että tunnin ajan auringon säteilyteho on vakio, jolloin saadaan tunnin aikainen au- ringon säteilyenergian määrä tarkasteltavalle pinnalle. Päivittäinen auringon säteilyener- gian määrästä kerrotaan kuukauden päivien lukumäärällä, jolloin saadaan kuukausittai- nen auringon säteilyenergian määrä.
Taulukko 4. Kuukausittainen ja vuosittainen auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle eri kallistuskulmilla ja suuntauksella etelään Kuopiossa.
Suuntaus Etelä
Auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle (kWh/m2)
Kallistus-
kulma (o) 30 45 60 90
Tammikuu 9,3 10,8 11,7 11,7
Helmikuu 29,3 32,9 28,0 32,9
Maaliskuu 103,2 113,7 117,8 106,0
Huhtikuu 130,1 134,2 131,2 105,0
Toukokuu 161,0 158,3 148,3 106,3
Kesäkuu 163,8 157,6 144,5 99,1
Heinäkuu 158,9 154,8 143,1 100,6
Elokuu 131,2 132,8 127,6 98,1
Syyskuu 76,3 81,0 81,4 69,4
Lokakuu 40,4 45,2 47,6 44,5
Marraskuu 10,2 11,9 12,8 12,7
Joulukuu 4,3 5,1 5,7 6,0
Vuosi 1017,1 1038,3 999,7 792,3
Taulukko 5. Kuukausittainen ja vuosittainen auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle eri kallistuskulmilla ja suuntauksella kaakkoon Kuopiossa.
Suuntaus Kaakko
Auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle (kWh/m2)
Kallistus-
kulma (o) 30 45 60 90
Tammikuu 8,0 8,9 9,5 9,0
Helmikuu 25,7 27,7 28,4 25,5
Maaliskuu 92,5 99,4 100,8 87,8
Huhtikuu 122,9 125,6 122,1 98,3
Toukokuu 160,2 159,2 151,5 114,4
Kesäkuu 165,9 162,5 152,1 111,2
Heinäkuu 158,9 156,6 133,1 109,6
Elokuu 127,0 128,3 123,9 97,5
Syyskuu 69,7 72,2 71,3 59,6
Lokakuu 35,3 36,8 39,0 34,9
Marraskuu 8,9 9,9 10,4 9,9
Joulukuu 3,5 4,1 4,4 4,4
Vuosi 978,5 991,2 946,5 762,1
Taulukko 6. Kuukausittainen ja vuosittainen auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle eri kallistuskulmilla ja suuntauksella lounaaseen Kuopiossa.
Suuntaus Lounas
Auringon säteilyenergia tarkasteltavalle pinnalle (kWh/m2)
Kallistus-
kulma (o) 30 45 60 90
Tammikuu 8,0 9,0 9,5 9,0
Helmikuu 25,9 28,1 28,9 26,2
Maaliskuu 91,7 98,0 99,4 85,9
Huhtikuu 122,5 141,3 121,1 96,8
Toukokuu 154,1 151,2 141,9 105,9
Kesäkuu 157,6 151,8 140,1 101,0
Heinäkuu 152,7 148,5 138,0 101,3
Elokuu 123,5 124,0 118,6 92,1
Syyskuu 70,7 73,4 72,7 61,4
Lokakuu 35,8 38,7 39,7 35,7
Marraskuu 8,8 9,8 10,2 9,6
Joulukuu 3,6 4,2 4,6 4,7
Vuosi 954,9 978 924,7 729,6
Taulukoista 4-6 voi huomata, että paras auringon säteilyenergian tuotto saadaan suun- taamalla tarkasteltava pinta kohti etelää ja asetetaan kallistuskulmaksi 45°. Kuukausit- taisen auringon säteilyenergian tuotossa etenkin kesäkuukausina touko-elokuu ei näyt- täisi olevan suurtakaan eroa, suuntaako tarkasteltavan pinnan kohti etelää vai kaakkoa ja asettaako kallistuskulmaksi 30...45°. Yksittäistä kuukautta tarkasteltaessa parhaan auringon säteilyenergian tuoton osalta, niin suunnattaessa tarkasteltavan pinnan kohti kaakkoa ja valitessa kallistuskulmaksi 30°:ta saa Kuopiossa parhaimman auringon sä- teilyenergian tuoton kuukaudessa.
2.4 Auringon säteily Suomessa
Suomessa merkittävä osa auringon kokonaissäteilystä on hajasäteilyä. Etelä-Suomessa tulee suurin piirtein puolet koko vuoden säteilystä hajasäteilynä. Aurinkolämmön tuoton kannalta on merkitystä, tuleeko auringon säteily suorana vai hajasäteilynä. Hajasäteilyn iso osuus kokonaissäteilystä aiheuttaa sen, että aurinkolämmön tuotto pienenee verrat- tuna siihen, että auringon kokonaissäteilystä suoran säteilyn osuus olisi suurempi. [5]
Etelä-Suomessa auringon vuotuinen kokonaissäteilyn energiamäärä on melkein samaa suuruusluokkaa kuin Pohjois-Saksassa. Suomessa auringon säteily painottuu eteläi- sempään Eurooppaan verrattuna enemmän kesäkuukausille. Kuvassa 6 on esitetty au- ringon kokonaissäteilymäärä neliömetriä kohti Suomessa vyöhykkeittäin siten, että pinta on kohdistettu optimaaliseen kulmaan aurinkoon nähden. Huomioitava on, että suurin osa auringon vuotuisesta kokonaissäteilymäärästä saadaan kesäkuukausina, jolloin Suomessa lämmitysenergiantarve keskittyy pelkästään lämpimän käyttöveden lämmi- tysenergiantarpeeseen. Yleisesti Suomessa saadaan kesäkuukausina enemmän aurin- koenergiaa kuin sitä pystytään hyödyntämään rakennuksen lämmitykseen. [5]
Kuva 6. Suomessa eri vyöhykkeiden auringon vuotuinen kokonaissäteilymäärä optimaalisesti kallistetuille pinnoille.
2.5 Aurinkolämpöjärjestelmä
Aurinkolämpöjärjestelmä koostuu useasta eri komponentista ja laitteesta. Aurinkoläm- pöjärjestelmän olennaisimpia komponentteja ovat aurinkokeräin, lämminvesivaraaja, kiertovesipumppu, nesteen siirtoputkisto, lämmityskierukka tai lämmönsiirrin ja säätöyk- sikkö. Kuvassa 7 on esitetty aurinkolämpöjärjestelmän peruskokoonpano, joka tarvitaan aurinkoenergian hyödyntämiseen lämmitysenergiankulutuksen pienentämisessä. [9]
Auringon säteily kerätään ja muunnetaan aurinkokeräimessä (1) lämmöksi. Syntyvä lämpö siirretään putkistoa (2) pitkin kiertävän vesi-jäänestoaineseoksen avulla lämmin- vesivaraajaan (3). Kiertävä vesi-jäänestoaineseos luovuttaa lämpönsä lämminvesiva- raajan veteen lämmityskierukan tai erillisen lämmönsiirtimen avulla. [9]
Lämpönsä lämminvesivaraajaan luovuttanut vesi-jäänestoaineseos kierrätetään siirto- putkistoa pitkin takaisin aurinkokeräimeen lämpenemään. Säätöyksikkö (7) valvoo, että
kiertovesipumppu käy vain, kun aurinkokeräimeltä tulevan vesi-jäänestoaineseoksen lämpötila on korkeampi kuin lämminvesivaraajan veden lämpötila. Siirtoputkistossa ole- van vesi-jäänestoaineseoksen tilavuus muuttuu lämpötilan muuttuessa, putkistoon tarvi- taan paisunta-astia (9). Paisunta-astialla huolehditaan, että verkoston paine pysyy mah- dollisimman tasaisena. Siirtoputkistoon on asennettaan myös varoventtiili (6), joka las- kee vesi-jäänestoaineseosta putkistosta ulos, jos verkoston paine kasvaa liian suureksi.
[9]
Kuva 7 Aurinkolämpöjärjestelmän peruskokoonpano. [9]
2.6 Aurinkokeräimet 2.6.1 Tasokeräin
Tasokeräimen toimintaperiaate on suhteellisen yksinkertainen. Aurinko lämmittää tum- maa pintaa, joka absorboi mahdollisimman paljon auringon säteilyenergiaa. Kerätty au- ringon säteilyenergia siirretään lämpöenergiana lämmönsiirtoaineena toimivaan veteen tai muuhun nesteeseen myöhempää käyttöä varten. Kuvassa 8 on esitetty tasokeräimen pääkomponentit periaatekuvassa. Tasokeräimien tyypilliset pääkomponentit ovat seu- raavat: [10]
- Tumma tasopinta, jonka tehtävänä on absorboida auringon säteilyenergiaa mah- dollisimman paljon.
- Läpinäkyvä lasi tai pinta, jonka päästää auringon säteilyenergian tummalle ta- sopinnalle, mutta vähentää pinnasta muodostuvien säteilyn ja konvektion läm- pöhäviöitä.
- Putket, joissa lämmönsiirtoaine kiertää lämpenemässä ja siirtämässä ke- räimessä kehittyvä lämpöenergia käyttökohteeseen.
- Tukirakenteet, joiden tehtävänä on pitää tasokeräin koossa.
- Lämmöneristys, jonka tehtävän on pienentää lämpöhäviöitä ympäristöön.
Kuva 8 Periaatekuva tasokeräimestä. [10]
Tasokeräimen rakenteen suunnittelun pääperiaatteet ovat: maksimoida auringon sätei- lyenergiaa absorboiva pinta, minimoida heijastus- ja säteilyhäviöt sekä varmistaa teho- kas lämmönsiirto lämmönsiirtonesteen ja absorboivan pinnan välillä. Yksi tärkeimmistä asioista on saavuttaa hyvä lämmönsiirtosuhde absorboivan pinnan ja lämmönsiirtoai- netta sisältävien putkien välille. Kuvassa 9 on esitetty muutamia eri ratkaisuja saavuttaa hyvä lämmönsiirtosuhde absorboivan pinnan ja lämmönsiirtoainetta sisältävien putkien välille. Myös lämmönsiirtoainetta sisältävien putkien muotoja on muutettu. Kuvassa 10 vaalean sinisellä värillä on kuvattu suojalasia, tummansinisellä värillä on kuvattu läm- mönsiirtoainetta sisältäviä putkia, mustalla värillä on kuvattu absorboivaa pintaa ja har- maalla värillä on kuvattu lämmöneristystä. [10]
Kuva 9. Erilaisia rakenteita tasokeräimen ja lämmönsiirtoainetta sisältävien putkien absorboivan pinnan välillä. [10]
2.6.2 Tyhjiöputkikeräin
Tyhjiöputkikeräimien putkista on poistettu lähes kokonaan ilma, jolloin johtumislämpöhä- viöt pienenevät huomattavasti ja tyhjiöputkikeräimen hyötysuhde pysyy parempana kuin tasokeräimen korkeissa toimintalämpötiloissa. Lasiputkessa oleva tyhjiö toimii erinomai- sena lämmöneristeenä. Tyhjiö estää tehokkaasti kerättyä auringon lämpöä karkaamasta ulkoilmaan. Näin suurin osa lämmöstä saadaan kulutuskohteeseen hyödyksi. Tyhjiöput- kikeräimien lämmöntuotto voi olla suurempi kylminä vuodenaikoina kuin tasokeräimen.
Lämpiminä vuodenaikoina ei ole lämmöntuotossa suurta eroa tyhjiöputkikeräimen ja ta- sokeräimen välillä. [11]
Tyhjiöputkikeräimet voidaan jakaa lämmönsiirtoperiaatteeltaan kahteen eri tyyppiin. Ne ovat läpivirtausperiaatteella toimiva tyhjiöputkikeräin ja heat-pipe -periaatteella toimiva tyhjiöputkikeräin. Läpivirtausperiaatteella toimivassa tyhjiöputkikeräimessä lämmönsiir- toneste kulkee u-muotoisessa tyhjiöputkessa mustan absorboivan pinnan alla. Läpivir- tausperiaatteella toimivan yksilasisen tyhjiöputkikeräimen rakenteessa nesteputkeen on kiinnitetty levymäinen absorbaattorilevy, joka sijaitsee putken tyhjiössä. Läpivirtausperi- aatteella toimivan kaksilasisen tyhjiöputkikeräimen absorbaattorissa oleva lämmönsiirto- levy on sylinterimäinen ja on kosketuksissa sisemmässä olevassa lasissa absorbaatto- ripintaan. Absorbaattorilevy ja lämmönsiirtoputki eivät sijaitse tyhjiössä. Tyhjiö sijaitsee ulomman ja sisemmän lasisylinterin välissä. Sisemmässä lasissa olevasta absorbaatto- ripinnasta lämpö siirtyy johtumalla sylinterimäiseen metallipintaan, joka on liitetty läm- mönsiirtoputkeen. Kuvassa 10 on esitetty läpivirtausperiaatteella toimivan tyhjiöputkike- räimen rakennekuva. [11]
Kuva 10 Läpivirtausperiaatteella toimivan tyhjiöputkikeräimen rakennekuva. [13]
Heat-pipe -periaatteella toimivan tyhjiöputkikeräimessä helposti höyrystyvää lämmönsiir- tonestettä sisältävä tyhjiöputki muodostaa oman lämmönsiirtopiirinsä. Tyhjiöputkessa höyrystynyt lämmönsiirtoneste nousee tyhijöputken yläosaan. Tyhjiöputken yläosassa höyrystynyt lämmönsiirtoneste kondensoituu luovuttaen lämpönsä tyhjiöputkikeräimen yläosan lämpöeristetyn kotelon putkituksessa liikkuvaan lämmönsiirtonesteeseen. Ku- vassa 11 on esitetty Heat-pipe -periaatteella toimivan tyhjiöputkikeräimen rakennekuva.
[11]
Tyhjiöputkikeräimen putki voi olla materiaaliltaan lasia tai metallia, jolloin se on liitetty absorbaattorilevyyn. Tyhjiöputkikeräimen helposti höyrystyvänä lämmönsiirtonesteenä voidaan käyttää alkoholia tai vettä. Vettä käytettäessä tyhjiöputken sisällä paineen pitää
olla normaalia ilmanpainetta alhaisempi, jolloin vesi höyrystyy huomattavasti alhaisem- massa lämpötilassa kuin 100 °C. [11]
Kuva 11 Heat-pipe -periaatteella toimivan tyhjiöputkikeräimen rakennekuva. [12]
2.7 Aurinkokeräimen hyötysuhde
Pääasiassa aurinkokeräimien hyötysuhde riippuu auringon säteilyenergiasta määrästä, aurinkokeräintä ympäröivän ilman lämpötilasta toisin sanoen ulkolämpötilasta sekä lop- pukäyttökohteessa tarvittavan lämmönsiirtonesteen lämpötilasta. Aurinkokeräimien hyö- tysuhde muuttuu jatkuvasti, koska ulkolämpötila vaihtelee vuodenaikojen mukaan, au- ringon säteilyenergian määrä vaihtelee vuorokauden ja vuodenajan mukaan sekä lop- pukäyttökohteessa tarvittavan lämmönsiirtonesteen lämpötila vaihtelee tarpeen mu- kaan, esimerkiksi lämmityksessä ulkolämpötilan mukaan. [14]
Yleisesti aurinkokeräimen hyötysuhde voidaan laskea aurinkokeräimen hyödyksi tuotta- man lämpöenergian ja aurinkokeräimeen osuvan auringon säteilyenergian suhteena.
Aurinkokeräimen hyötysuhde ilmaistaan aurinkokeräimen lämmönsiirtonesteen ja ulko- lämpötilan erotuksen suhteena aurinkokeräimen kohtaavaan kokonaisauringonsätei- lyenergiaan. Aurinkokeräimen hyötysuhde voidaan laskea kaavalla (9). [14]
𝜂9:;;= 𝐹7[(𝜏𝛼) − 𝑈<(8"=8$)
>" ], (9)
missä ta on aurinkokeräimen lasin absorption läpäisevyys, Gt on kokonaisauringonsä- teilyenergia aurinkokeräimen pintaan, Ti on aurinkokeräimeen menevän lämmönsiirto- nesteen lämpötila, Ta on aurinkokeräintä ympäröivän ilman lämpötila, UL on aurinkoke- räimen kokonaislämmönläpäisykerroin, FR on lämmönsiirtokerroin, joka on jokaiselle au- rinkokeräimelle omansa. FR lämmönsiirtokerroin määritellään todellisen hyödyksi saa- dun energian ja aurinkokeräimen absorboivan pinnan sekä aurinkokeräimen sisään tu- levan lämmönsiirtonesteen lämpötilan ollessa sama todellisen hyödyksi saadun ener- gian suhteena. Eurooppalaisen standardin EN12975 mukaan aurinkokeräimen hyöty- suhde voidaan laskea kaavalla (10). [14] [15]
𝜂9:;;= 𝜂#− 𝑎&(8!=8$)
>% − 𝑎6(8!=8$)&
>% , (10)
missä h0 on aurinkokeräimen nollahäviön hyötysuhde eli lämmönsiirtonesteen ja ympä- ristön lämpötilaero on nolla, a1 on aurinkokeräimen konvektiivisen lämmönsiirron huomi- oon ottava lämmönläpäisykerroin, Tm on aurinkokeräimen lämmönsiirtonesteen meno- ja paluulämpötilan keskiarvo, Ta on aurinkokeräintä ympäröivän ilman lämpötila, a2 on aurinkokeräimen säteilylämmönsiirron huomioon ottava lämmönläpäisykerroin. Tekijät h0, a1 ja a2 määritellään aurinkokeräinkohtaisesti. Tekijöiden h0, a1 ja a2 tiedot saadaan aurinkokeräimiä valmistavan yrityksen datalehdistä. Tekijät h0, a1 ja a2 vaihtelevat paljon eri aurinkokeräimien välillä. Kuvassa 12 lämpötilaerolla tarkoitetaan eroa (Tm-Ta). Ku- vasta 12 nähdään, että lämpötilaeron kasvaessa aurinkokeräimen hyötysuhde pienenee.
[14]
Kuva 12. Hyötysuhde erityyppisillä aurinkokeräimillä erilaisissa lämpötilaolosuhteissa. [16]
2.8 Aurinkolämpöjärjestelmän muut komponentit 2.8.1 Pumppu
Pumppu on laite, jonka avulla nestettä liikutetaan ainakin osittain suljetussa putkistossa.
Pumpulla on tarkoitus tuottaa putkistoon virtausvastusten synnyttämän paine-eron
suuruinen paineen tuotto, jotta nestettä pystytään siirtämään putkistoa pitkin haluttu vir- tausmäärä. Pääasiassa lämmitysverkostoissa käytetään keskipakopumppuja. [4]
Keskipakopumpussa neste virtaa keskipakopumpun juoksupyörän siipisoliin keskipako- pumpun akselin suunnassa. Juoksupyörä tuottaa pyörähtäessään nesteelle kineettistä energiaa, jonka avulla sinkoaa nesteen keskipakopumpun kehällä olevaan kierukka- pesään. Kierukkapesä laajenee diffuusorin tapaan keskipakopumpun paineaukkoon.
Keskipakopumpun kierukkapesässä nopeus alenee ja nesteen kineettinen energia muuttuu paine-energiaksi. Kuvassa 13 on esitetty keskipakopumpun rakennekuva. [4]
Kuva 13 Keskipakopumpun rakennekuva. [18]
Kiertovesipumpun tuottama paine esitetään usein kiertovesipumpun nostokorkeutena H ja nostokorkeus H ilmastaan kaavalla (11).
𝐻 =∆-%
@A, (11)
missä Dpt on kiertovesipumpun paineaukon ja imuaukon välinen kokonaispaine-ero (hä- viöttömässä pumppauksessa), r on nesteen tiheys ja g on yleinen gravitaatiovakio. [4]
Dpt on teoreettinen paine-ero paineaukon ja imuaukon välillä häviöttömässä pumppauk- sessa, mikä tarkoittaa, että kiertovesipumpussa pitäisi olla ääretön määrä ohuen ohuita siipiä. Todellisuudessa kiertovesipumpun tuottama paine on pienempi kuin teoreettinen paine-ero paineaukon ja imuaukon välillä häviöttömässä pumppauksessa. Pumppauk- sessa pitää ottaa huomioon nesteessä ja kiertovesipumpussa syntyvät kitkahäviöt ja tör- mäyshäviöt, jotka muodostuvat, kun nesteen kiertovesipumppuun sisääntulosuunta ei ole sama kuin kiertovesipumpussa olevien siipien. Pumppauksessa otetaan huomioon kitkahäviöt ja törmäyshäviöt huomioon hydraulisella hyötysuhteella hh. Kiertovesipum- pussa muodostuva todellinen kokonaispaineentuotto Dptod saadaan kaavalla (12). [4]
∆𝑝/:,= 𝜂* ∆𝑝/, (12)
missä hh on hydraulinen hyötysuhde. Kiertovesipumpun hydraulinen teho Ph lasketaan kaavalla (13). [4]
𝑃* = 𝑞B ∆𝑝/:,, (13)
missä qv on nesteen tilavuusvirta. Kiertovesipumpun tarvitsema akseliteho Pa lasketaan kaavalla (14). [4]
𝑃+ =C'∆-%()
D* , (14)
missä hp on kiertovesipumpun hyötysuhde. [4]
Huomioitavaa on, että kiertovesipumpun hyötysuhde ei pidä sisällään voimansiirron hyö- tysuhdetta hv ja sähkömoottorin hyötysuhdetta hs. Voimansiirron hyötysuhde hv ja säh- kömoottorin hyötysuhde hs on määritettävä erikseen. Kiertovesipumpun hyötysuhde pi- tää sisällään hydraulisen hyötysuhteen hh ja akselin hyötysuhteen ha. Kiertovesipumpun sähköverkosta ottaman tehon Ps määrittämiseen pitää ensiksi laskea kiertovesipumpun kokonaishyötysuhde h. Kiertovesipumpun kokonaishyötysuhde lasketaan kaavalla (15).
Kiertovesipumpun kokonaishyötysuhteen avulla lasketaan kiertovesipumpun sähköver- kosta ottama sähköteho Ps kaavalla (16). [4]
𝜂 = 𝜂E𝜂B𝜂F𝜂*, (15)
𝑃E =GD+, (16)
2.8.2 Lämmönsiirrin
Lämmönsiirrin on laite, joka siirtää lämpöä johtumalla seinämän läpi kuumemmasta nes- tevirrasta kylmempään nestevirtaan. Lämmönsiirtimet jaetaan kahteen eri päätyyppiin eli rekuperatiivisiin ja regeneratiivisiin lämmönsiirtimiin. Rekuperatiivisessa lämmönsiirti- messä liikkuu jatkuvasti kaksi seinämällä toisistaan erotettua ainevirtaa lämmön siirty- essä seinämän läpi. Regeneratiivisessa lämmönsiirtimessä ainevirrat liikkuvat vuorotel- len lämpöä varastoivan kiinteän rakennelman läpi lämmittäen ja jäähdyttäen kiinteää ra- kennelmaa vuorotellen. Rakennusten lämmitysjärjestelmissä käytetään pääsääntöisesti rekuperatiivisia lämmönsiirtimiä. [4] [18]
Lämmönsiirtimet pystytään jaottelemaan virtausgeometrian mukaan kolmeen eri pää- tyyppiin eli vastavirtalämmönsiirtimiin, myötävirtalämmönsiirtimiin ja ristivirtalämmönsiir- timiin. Vastavirtalämmönsiirtimessä ainevirrat liikkuvat niitä erottavan seinämän molem- min puolin vastakkaisiin suuntiin. Myötävirtalämmönsiirtimessä ainevirrat liikkuvat niitä erottavan seinämän molemmin puolin samaan suuntaan. Ristivirtalämmönsiirtimessä ai- nevirrat liikkuvat niitä erottavan seinämän molemmin puolin toisiaan vastaan ristikkäisiin suuntiin. [4]
Lämmönsiirtimen hyötysuhdetta kuvataan rekuperaatioasteella e. Rekuperaatioaste e on lämmittävän ainevirran lämpötilan nousun suhde maksimaaliseen lämpötilan nousuun ja se lasketaan kaavalla (17). [4]
𝜀 =8&=8,
8-=8,, (17)
missä T2 on ainevirran loppulämpötila, T1 ainevirran alkulämpötila ja T3 ainevirran mak- simimaalinen loppulämpötila. Lämmönsiirtimessä lämpö siirtyy lämpimämmästä ainevir- rasta kylmempään ainevirtaan. Lämpimämmästä ainevirrasta siirtyvä lämpö on yhtä suuri kuin kylmemmän ainevirran vastaanottama lämpö, kun oletetaan lämmönsiirtimen olevan hyvin eristetty eikä lämpöä karkaa ympäristöön. Lämmönsiirtimessä siirtyvä läm- pövirta/-teho f lämpimämmästä ainevirrasta kylmempään ainevirtaan voidaan esittää kaavalla (18). [4]
𝜙 = 𝜌& 𝑞𝑣& 𝑐𝑝& (𝑇&&− 𝑇&6) = 𝜌6 𝑞𝑣6 𝑐𝑝6 (𝑇6&− 𝑇66), (18) missä r1 on ainevirran 1 tiheys, qv1 on ainevirran 1 tilavuusvirta, cp1 on ainevirran 1 ominaislämpökapasiteetti, T11 on ainevirran 1 ennen lämmönsiirrintä oleva lämpötila, T12
on ainevirran 1 lämmönsiirtimen jälkeinen lämpötila, r2 on ainevirran 2 tiheys, qv2 on ainevirran 2 tilavuusvirta, cp2 on ainevirran 2 ominaislämpökapasiteetti, T21 on ainevirran 2 ennen lämmönsiirrintä oleva lämpötila ja T22 on ainevirran 2 lämmönsiirtimen jälkeinen lämpötila. Lämmönsiirtimen tehon laskennassa voidaan hyödyntää logaritmista keski- lämpötilaeroa. Logaritminen keskilämpötilaero DTlog lasketaan kaavalla (19). [4]
∆𝑇;:A =(8,,=8,&)=(8&,=8&&) H) (/,,0/,&
/&,0/&&) , (19)
Lämmönsiirtimen lämpöteho f voidaan laskea kaavalla (20). [4]
𝜙 = 𝐺 Δ𝑇;:A, (20)
missä G on lämmönsiirtimen konduktanssi. [4]
2.8.3 Energiavaraaja
Vesikiertoisissa järjestelmissä lämmöntuottolaitteen tuottama lämpö varastoidaan ener- giavaraajan veteen myöhempää käyttöä varten. Energiavaraajan vesi toimii lämmöntuot- tolaitteen tuottaman lämpimän veden varastona, josta lämpimän veden energiaa käyte- tään tarpeen mukaan lämmitykseen tai lämpimän käyttöveden tuottamiseen. Energiava- raaja soveltuu käytettäväksi usean eri lämmöntuotantolaitteen kanssa sekä mahdollistaa usean eri lämmöntuotantolaitteen rinnakkaisen käytön. Energiavaraaja valitaan huomi- oiden lämmityksen tarve, lämpimän käyttöveden kulutus ja lämmöntuotantolaite. [19]
Yleisesti aurinkolämmössä käytetään yhtä energiavaraajaa, jota käytetään pääasiassa lämpimän käyttöveden tuottamiseen. Useissa järjestelmissä aurinkolämpö siirretään energiavaraajaan pakkasnesteellä täytetyn lämmityskierukan avulla. Lämmityskierukka sijoitetaan yleisesti energiavaraajan alaosaan, koska energiavaraajan veden lämpötila on alaosassa alhaisin. Silloin pystytään hyödyntämään aurinkolämpöä paremmin ener- gianvaraajan veden lämmityksessä, koska lämmityskierukan pakkasnesteen lämpötila pitäisi nostaa energiavaraajassa olevan veden lämpötilan yläpuolelle. Jos lämmitys- kierukka sijaitsisi energiavaraajan yläosassa, niin lämmityskierukan pakkasnesteen läm- pötila pitäisi nostaa korkeammalle verrattuna energiavaraajan alaosassa sijaitsevaan lämmityskierukkaan, koska energiavaraajan yläosassa on lämpimämpää vettä. Ajalli- sesti tarkasteltuna pystytään hyödyntämään aurinkolämpöä paremmin sijoittamalla läm- mityskierukka energiavaraajan alaosaan kuin yläosaan. Alaosaan sijoitettu lämmitys- kierukan pakkasneste saavuttaa nopeammin lämpötilatason, jotta voidaan lämmittää energiavaraajan vettä verrattuna yläosaan sijoitettuun lämmityskierukkaan. Kuvassa 14 on esitetty erään valmistajan energiavaraaja. Energiavaraajan lämpösisältö Qev voidaan laskea kaavalla (21). [20] [21]
𝑄JB= 𝜌 𝑉 𝑐- ∆𝑇, (21) missä r on energiavaraajassa olevan nesteen tiheys, V on energiavaraajassa olevan nesteen tilavuus, cp on energiavaraajassa olevan nesteen ominaislämpökapasiteetti ja DT on energiavaraajassa olevalle nesteelle sallittu lämpötilan vaihtelu. [21]
Kuva 14 Esimerkki energiavaraajasta.
2.8.4 Säätöjärjestelmä
Aurinkolämpöjärjestelmiä ohjataan ja valvotaan joko omalla ohjausyksiköllä tai raken- nusautomaation avulla. Aurinkolämpöjärjestelmän ohjaus voi perustua aurinkokeräinver- koston nesteen lämpötilaan, aurinkokeräinverkoston nesteen virtauksen muutokseen tai ajastettuun toimintaan. Kuvassa 15 on esitetty erään valmistajan itsenäinen ohjausyk- sikkö, jolla voidaan ohjata aurinkolämpöjärjestelmän toimintaa. [22]
Ohjausyksikön automatiikka säätelee aurinkolämpöjärjestelmän toimintaa. Ohjausyksi- kön automatiikka mittaa energiavaraajalle menevän nesteen meno- ja paluulämpötila- eroa. Lämpötilaerotiedon avulla ohjausyksikön automatiikka säätää kiertovesipumpun kierrosnopeutta, jotta nestevirtaama muuttuu halutuksi. Rakennusautomaatiojärjestel- mällä voi tehdä vastaavat automatiikkatoiminnat kuin itsenäisellä ohjausyksiköllä. [23]
Kuva 15 Esimerkki aurinkolämpöjärjestelmän ohjausyksiköstä. [23]
