Aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmä palvelutalossa

Abstract

Diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin kuvitteelliseen palvelutaloon rakennettavan aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän elinkaarikustannuksia kahdella eri aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentävaihtoehdolla. Elinkaarikustannusten vertailuun otettiin mukaan myös maalämpöjärjestelmä. Diplomityön tavoitteena oli löytää elinkaarikustannuksiltaan edullisin lämmitysjärjestelmävaihtoehto.

Diplomityön teoriaosuudessa esitellään aurinkolämpöön, maalämpöön, rakennuksen lämmitysenergiankulutukseen ja elinkaarikustannuksiin liittyviä asioita. Aurinkolämmöstä esitellään perusteet aurinkoenergiasta ja sen saatavuudesta. Myös aurinkolämmöstä käsitellään teoriaa eri aurinkokeräintyypeistä ja esitellään aurinkolämpöjärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämmöstä esitetään perusteet maaperästä saatavasta lämmöstä. Maalämmössä esitetään myös lämpöpumppuihin liittyvän kylmäaineen kiertoprosessin teoria. Rakennuksen lämmitysenergiankulutuksen teoriaosuudessa esitetään tekijät, joista rakennuksen lämmitysenergiankulutus muodostuu. Elinkaarikustannuksen teoriaosuudessa esitetään, mistä tekijöistä elinkaarikustannukset muodostuvat. Elinkaarikustannusten teoriaosuudessa esitetään myös eri investointilaskentamenetelmiä, joilla voi tarkastella investointien elinkaarikustannuksia.

Diplomityön case-työssä simuloitiin ensiksi kuvitteelliselle palvelutalolle vuotuiset lämmitysenergiankulutukset eri tekijöille. Kuvitteellisen palvelutalon vuotuiset tilojen ja ilmanvaihdon lämmitysenergiankulutukset laskettiin RIUSKA-simulointiohjelmalla. Vuotuinen lämpimän käyttöveden lämmitysenergiankulutus arvioitiin Motivan tilastojen pohjalta. Vuotuiset simuloidut lämmitysenergiankulutukset siirrettiin Excel-taulukkolaskentaohjelmaan. Excel-taulukkolaskentaohjelman avulla laadittiin useita taulukkolaskentatiedostoja vuotuisen ostoenergiankulutuksen laskentaan. Taulukkolaskentatiedostoilla laskettiin aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätavoille 1 ja 2 sekä maalämpöjärjestelmälle vuotuiset ostoenergiankulutukset eri muuttujien mukaan. Tarkasteltaviksi muuttujiksi valittiin maalämpöpumpun mitoitusteho ja aurinkokeräimien lukumäärä. 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 muuttujien pohjalta 126 kappaletta. Elinkaarikustannukset aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätavalle 1 ja 2 sekä maalämpöjärjestelmälle laskettiin taulukkolaskentatiedostoihin laadittujen 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 lämmitysjärjestelmä on maalämpöpumppujärjestelmä, jossa maalämpöpumppu on mitoitettu 50 %-teholle. Tarkasteltaessa pelkästään aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätapoja 1 ja 2 elinkaarikustannuksiltaan edullisin järjestelmä on aurinko- ja maalämmön hybridijärjestelmän kytkentätapa 2, jossa maalämpöpumppu on mitoitettu 50 %-teholle ja aurinkokeräimiä on 10 kpl. Elinkaarikustannusten herkkyystarkastelu ei muuta tilannetta elinkaarikustannuksiltaan edullisimman lämmitysjärjestelmän osalta.

This Master thesis investigated and compared two types of solar and geothermal hybrid systems 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 geo-thermal heating, the principles of extracting heat from the ground were discussed. Further-more, 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 affecting 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 build-ing 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 consump-tion 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 se-lected for consideration were the rated power of geothermal heat pump and the number of solar thermal collectors. The rated power of geothermal 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 combinations 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 geother-mal 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 conducted 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.