Energiapaalujen tehokkuuden mittaus ja analyysi

Abstract

Ilmastonmuutoksesta johtuen hiilineutraaliuden ja ympäristöystävällisten energiantuotantomuotojen ja lämmitysratkaisujen merkitys on korostunut. Maalämpö on kestävä rakennusten lämmitystapa. Erilaisia maalämpöratkaisuja ovat maalämpökaivot, pintakeräysputkistot ja energiapaalut. Tässä työssä on keskitytty tarkastelemaan energiapaaluja. Työn tarkoituksena on selvittää, mitkä tekijät vaikuttavat energiapaalujen tehokkuuteen ja miten paalujen toimintaa voidaan tutkia. Tutkittavana oli myös energiapaalujen käyttö korkeanlämmön varastona. Energiapaalu on eräs maalämpöratkaisuista, jota käytetään usein useamman paalun muodostamien energiapaalukenttien avulla vastaamaan rakennuksen lämmitys- ja viilennystarpeisiin. Energiapaalut sijoitetaan maan pintakerrokseen ja tyypillisesti ne ulottuvat 10–30 m syvyyteen. Energiapaaluja voidaan luokitella niissä käytettyjen materiaalien ja niissä olevan lämmönkeruupiirin mukaan. Yleisin energiapaalutyypeistä on U-putkipaalu, jossa keruusilmukka muistuttaa U-kirjainta. Muita energiapaalutyyppejä ovat esimerkiksi kaskadiputkipaalu ja spiraalinen paalu. Energiapaalujen toimintaan vaikuttavat paalussa käytetyt materiaalit sekä paalun dimensiot. Lisäksi vaikutusta on paalussa kiertävän lämpöaineen virtausmäärällä sekä paalua ympäröivällä maa-aineksella. Paalun dimensiot vaikuttavat suoraan lämmönsiirtopinta-aloihin ja materiaalien vaikutus näkyy niiden lämmönjohtavuuksien ja muiden termisten ominaisuuksien kautta. Paalujen toimintaa pyritään arvioimaan erilaisten pilottimittausten avulla. Paljon käytetty mittaustyyppi on TRT-mittaus (eng. thermal response test). TRT-mittauksessa ollaan kiinnostuneita energiapaalun termisestä vasteesta. TRT-mittauksessa usein syötetään vakiovirtauksista ja -lämpöistä nestettä ja tutkimalla virtauksen paluulämpötilan muutosta arvioidaan paalussa tapahtuvaa lämpötilan muutosta. Energiapaalumittauksissa voidaan tutkia lämpötilavasteen lisäksi myös esimerkiksi virtausmäärän vaikutusta saatavaan lämpötehoon. Osassa energiapaaluille tuotetuissa tutkimuksissa on oltu kiinnostuneita myös siitä, miten maan lämpötila muuttuu energiapaalun käytön seurauksena. Osana tätä kandidaatintyötä suoritettiin pilottimittaus yksittäiselle U-putkipaalulle kahdessa eri mittausympäristössä. Toinen mittausympäristö oli kostea savimaa ja toinen kuivempi harju. Mittaus koostui molemmissa ympäristöissä kahdesta vaiheesta. Ensimmäisenä paaluille suoritettiin latausjakso, jonka aikana paaluun syötettiin noin 60 asteista vettä. Latausjakson aikana tarkasteltiin sitä, miten nopeasti paluuvirtauksen lämpötila tasaantuu ja saavutetaan lämmönsiirrollinen tasapainotila. Paalua ladattiin noin viikon verran. Molemmissa ympäristöissä ero meno- ja paluuvirtauksen välillä jäi noin 20 asteeseen. Latausjakson jälkeen virtaavan veden lämmittäminen lopetettiin, mutta virtausta pidettiin edellään käynnissä. Tässä vaiheessa mittausta oltiin kiinnostuneita siitä, miten nopeasti paluu- ja menovirtauksen arvot asettuvat samaan vakioarvoon. Molemmissa ympäristöissä tämä tasoittuminen tapahtui hyvin nopeasti, mutta paalun lämpötila oli yli 5 astetta korkeampi kuin lämpötila ennen latausjaksoa. Jos suoritettu pilottimittaus haluttaisiin toistaa, kannattaisi sitä hieman muokata. Mittauksessa käytetty mittalaitteisto oli hyvin alkeellinen, erityisesti virtausmittari. Jos haluttaisiin saada tarkempia tuloksia, tulisi käyttää luotettavampia mittalaitteita. Mittauksen kestoa voisi myös pidentää, jotta saataisiin paremmin näkyviin, miten pitkällä aikavälillä lämmönvarastointi paaluun onnistuu. Kolmas muutettava seikka mittauksessa on käytetty virtausmäärä. Toteutetussa mittauksessa se oli keskimäärin noin 20 l/h. Parempia tuloksia haluttaessa voisi sen nostaa, jopa 2 l/min.