Maalämpökerrostalojen verkostovaikutukset

Abstract

Energiamurros edistää siirtymää pois fossiilisista polttoaineista kohti uusiutuvia energianlähteitä. Rakennuksissa lämmityksen energiankulutus on suurta ja se aiheuttaa tyypillisesti valtaosan rakennuksen kasvihuonekaasupäästöistä. Fossiilisten polttoaineiden käyttökustannukset ovat kasvaneet. Muun muassa näiden syiden vuoksi maalämpö valitaan yhä useammin uudisrakennusten ja lämmitystapaa vaihtavien saneerauskohteiden lämmönlähteeksi. Työssä analysoidaan maalämmön yleistymisen vaikutuksia Helsingin sähkönjakeluverkossa kolmella eri tasolla: kiinteistön liittymässä, jakelumuuntajalla ja kaupunginosassa. Maalämpöjärjestelmät ovat usein teknistaloudellisista syistä osamitoitettuja. Tällöin maalämpöpumpun rinnalla on lisälämmönlähteenä tyypillisesti sähkökattila. Tyypillinen osamitoitusaste on 60–80 %. Sähkökattilat aiheuttavat talven pakkasjaksoilla korkeita huipputehoja, jotka voivat vaikuttaa asiakkaan liittymän mitoitukseen ja koko jakeluverkon kapasiteettiin. Työssä selvitettiin lämmitystapamuutoksen vaikutus liittymien huipputehoihin ja vuosienergioihin. Keskimäärin tarkasteltujen kerrostalojen huipputeho kasvoi maalämpöön siirtymisen myötä noin 90 kW ja vuosienergia 150 MWh. Lämmitystapamuutoksen jälkeen maalämpökerrostalojen liittymien keskimääräinen kuormitusaste on 48 % sulakekoon sallimasta maksimitehosta. Työssä tarkastellaan lisäksi 200 A kerrostalojen liittymiä, koska liittymän koon kasvaessa yli 200 A:n tai nykyään usein yli 250 A:n tarvitaan uusi liittymisjohto, mikä aiheuttaa uuden vapaan lähdön käyttämisen jakokaapista tai muuntamolta sekä kaapeli-investoinnin ja mahdollisen kaivuutyön. Keskimäärin 200 A kerrostalojen liittymissä on 95 % alitustodennäköisyydellä vähintään 90 kW vapaata kapasiteettia, joka tyypillisesti riittäisi maalämpöjärjestelmän käyttöön. Lämmitystapamuutoksen vaikutusta arvioitiin sellaisilla jakelumuuntajilla, joiden kuormituksesta yli 90 % muodostuu kerrostalojen sähkönkulutuksesta. Eri muuntajakokojen keskimääräisen vapaan kapasiteetin mukaan arvioitiin, montako tyypillistä Helsingin alueen kerrostaloa voisi vaihtaa lämmitystapaa maalämpöön ennen kuin muuntajan kapasiteetti ylitetään. Keskimääräinen vapaa kapasiteetti tarkastelluilla 630 kVA muuntajilla riittäisi maalämpöjärjestelmän osamitoituksesta riippuen noin 5–8:lle maalämpöön siirtyvälle tyypilliselle Helsingin alueen kerrostalolle. Alueelliseen tarkasteluun valittiin Vuosaaren kaupunginosa, jossa kerrostalojen sähkönkulutuksen vuosienergia on Helsingin kaupunginosien suurin ja kerrostalojen kuormituksen osuus kaupunginosan kokonaissähkönkulutuksesta on merkittävä. Vuosaaren rakennuskannan perusteella simuloitiin viisi eri skenaariota, joissa olemassa olevasta rakennuskannasta 10–100 % vaihtaa lämmitystavan maalämpöön. Simulointien perusteella nykyisen öljylämmitetyn rakennuskannan korvaaminen pääosin maalämmöllä kasvattaisi Vuosaaren alueen sähkönkulutuksen huipputehoa 8 % ja vuosienergiaa 7 %. Maalämpökerrostalojen yleistyminen myös lisää alueen sähkönkulutuksen lämpötilariippuvuutta, mikä näkyy talvipakkasilla kasvaneena sähkönkulutuksena.

The global energy transition has accelerated the transition of energy sector to move away from using fossil fuels and increased the use of renewable energy sources. In all types of buildings, the largest amount of greenhouse emissions is typically caused by heating. Also, the cost of using fossil fuels in heating has increased recently. Therefore, ground source heating is becoming more and more common in renovation as well as in new buildings. In this thesis, the effects of ground source heated apartment buildings are analyzed in the Helsinki area distribution network. The analysis consists of three main parts: a connection point, a distribution transformer and a city district. A ground source heat pump is typically designed to cover about 60–80 % of the maximum heat demand of a building. The remaining part is generally covered by using an electric boiler that can cause a significant increase in the peak electrical power of a ground source heating system. The increase in peak electrical power of the apartment buildings analyzed was 90 kW on average and the increase of annual energy consumption was 150 MWh respectively. In ground source heated apartment buildings, the average load on the connection point was 48 % of its maximum power. Additionally, the connection points of 200 A apartment buildings were analyzed because a capacity increase in these connection points would require having an additional cable. However, it is often nowadays possible to increase their capacity to 250 A without having a new cable. A new cable needs to have an outlet inside a distribution cabinet or a substation and the cable route may need to be excavated. In 200 A apartment buildings, there is an average of 90 kW capacity available which is typically sufficient for a ground source heating system. In a typical heating source replacement in this thesis a fossil fuel-based heating system or district heating is replaced with a ground source heating system. The effects of heating source replacements are discovered on such distribution transformers that have over 90 % of their annual electricity consumption caused by apartment buildings. The number of possible heating source replacements on each distribution transformer size was determined based on their average loads. Consequently, a 630 kVA transformer could have up to 5–8 new typical size ground source heated apartment buildings in its supply area. The effects of ground source heated apartment buildings were analyzed in the Vuosaari area. Vuosaari was selected out of all city districts because its apartment buildings represented the highest share of electricity consumption of all the buildings and they covered a significant part of the area's total energy consumption. Different scenarios were simulated were 10–100 % of the apartment buildings would replace their current heating source with ground source heating. It was discovered that replacing most oil heating with ground source heating would increase the peak electricity consumption of Vuosaari area by 8 % and the annual electricity consumption by 7 %.