Lämpökaivon mitoittaminen

[tomppeli]

Lämpökaivon, eli ns. energiakaivon mitoittamiseen vaikuttavat monet asiat.

Jos meillä on samanlainen, yksikerroksinen omakotitalo Suomen eri kohdissa,
voi maalämmön mitoitus olla seuraavan näköinen:

Sijainti    Lämmitystarve   Pumppu Patterit   Lattialämpö

Vantaa        21200 kWh   7,3 kW   151 m    181 m Jyväskylä    24900 kWh   7,7 kW   180 m    213 m Rovaniemi   28000 kWh   8,6 kW   254 m    295 m

Patterilämmölle tarvitaan vähän pienempi lämpökaivo siksi, että
patterilämmityksellä maalämpöpumpun hyötysuhde on korkeamman kiertoveden lämpötilan takia huonompi.
Huonommalla hyötysuhteelle otetaan vähän enemmän tehoa sähköverkosta ja vastaavasti vähän vähemmän lämpökaivosta.

Miksi luvut kasvavat pohjoisessa?
- Lämmitystarve kasvaa pohjoiseen mentäessä, kun ilman keskilämpö laskee ja lämmityskausi pitenee.
- Tarvittavan lämmityslaitteen lämpöteho nousee kovempien pakkaslukemien takia.
- Porakaivo syvenee, koska kallioperäkin on pohjoisessa kylmempi.

Tässä GTK:n karttakuva lämpötiloista maassamme:


Vasen karttakuva kertoo keskilämpötilat Suomessa.
Oikeanpuoleinen puolestaan kertoo maanpinnan keskilämpötilat.
Maanpinnan keskilämpötila on kallioperän lämpötila noin 20 - 50 metrin syvyydessä.
Siitä syvemmälle mentäessä lämpötila nousee noin 1 - 1,5 astetta 100 metriä kohden.

Kallioperän lämpövarasto on se lähde, josta lämpöpumppu hakee sen ns. ilmaisenergian.
Maalämpökaivo voidaan käytännössä kuormittaa nolla-asteeseen. Se ei saisi mennä umpijäähän.

Tästä voimme karkeasti laskea lämpövarannon määrän maamme eri alueilla.
- Etelä-Suomessa se on noin 6 x kaivoa ympäröivän kalliomassan ominaislämpökapasiteetti.
- Oulun korkeudella noin 4 x kaivoa ympäröivän kalliomassan ominaislämpökapasiteetti.
- Keski-Lapissa noin 2 - 3 x kaivoa ympäröivän kalliomassan ominaislämpökapasiteetti.

Tämä kertoo sen, että Keski-Lapissa tarvitaan samaan lämmitystarpeeseen vähintään 2 kertaa syvempi lämpökaivo, kuin eteläisessä Suomessa.

Jos kaivo on alimittainen, kaivossa, keruuputkien ympärillä oleva vesi alkaa jäätymään.
Jäätyminen alkaa kaivon yläosasta ja etenee alapäin kaivon pohjaa kohden.

Jos kaivoa kuormitetaan liikaa, eli koko kaivo on alle 0 C -asteessa, on se umpijäässä.
Näin voi tapahtua liian matalalle kaivolle kovalla ja pitkällä pakkasjaksolla.

Kaivoon jäätynyt vesi saattaa puristaa keräimen putkea linttaan ja se vaikeuttaa liuoksen virtausta putkissa.
Silloin keruun kierron virtauksen volyymi laskee liikaa, jonka seurauksena keruupuolen lämmönvaihdin menee liian kylmäksi,
ja lämpöpumpun ohjain tekee pumpulle hätäkatkaisun.
Pumppu lakkaa toimimasta juuri silloin, kun lämpöä kovasti tarvitaan.

[tomppeli]

Usein ihmetellään, miksi lämpökaivoksi ehdotetaan noinkin syvää kaivoa.
Kaivon syvyys riippuu kohteen sijainnista Suomen kartalla.


Kuvateksti GTK:n sivuilla:  ”Lämpökartat”, Ilman- ja maanpinnan keskilämpötiloista. Lähde: GTK, Niina Leppäharju.

Häiriintymättömän kallioperän lämpötila on eteläisimmässä Suomessa noin +7 C.
Ylä-Lapissa se on vain noin +3 C.
Tämän mitoituksen kohteessa se on noin +5 C.

Kaivon lämpötila ei saisi mennä kovimmankaan kuormituksen aikana pakkaselle.
Pakkasella kaivon vesi jäätyy ja porareikään jäätynyt vesi saattaa rutistaa keräimen putket kasaan.
Putki kestää muutaman rutistuksen ja sen muotokin palautuu.
Useamman rutistuksen jälkeen putkitus voi jäädä ahtaaksi ja keruun kierron virtaus vaikeutuu.

Käytännössä kallioperästä saatavan lämpöenergian määrä on:
kallioperän lämpötila x kaivoa ympäröivän, lieriön muotoisen kivimassan lämpökapasiteetti x joku kerroin.
Kivilieriön läpimitta riippuu kallion kiviaineksen lämmönjohtoluvusta.

Kaivon mitoituslaskelma ei koskaan ole ehdottoman tarkka. Mikään mitoitusohjelma ei pysty sellaiseen.
Emme koskaan tiedä porareikää ympäröivän kallioperän rakennetta niin hyvin, että tarkka laskeminen olisi mahdollista.
Geologisen tutkimuskeskuksen Kokkolan osasto tekee maaperän lämpöenergiavarojen tutkimustyötä.
Saatuja tuloksia voidaan hyödyntää maalämmön suunnittelussa.

Kaivon kuormitusaste voi joillakin olla korkea, joillakin alhainen.
Korkea kuormitusaste imee kallioperästä paljon lämpöenergiaa ja tuloksena on kallioperän voimakas jäähtyminen.


Kaivo viilenee vuosien kuluessa ja kaivosta tulevan kiertonesteen lämpötila laskee noin 1 - 2 astetta.
Viilenemisen määrä riippuu kaivon kuormitusasteesta.
Alimitoitettu kaivo viilenee paljon.
Riittävästi mitoitetun kaivon viileneminen vuosien kuluessa on vain noin 1 ... 1,5 astetta.
Alimitoitetusta kaivosta tulee kylmä, koska porareikää ympäröivä kallioperä on jäähtynyt liikaa,
eikä siitä saatava lämpöenergia enää riitäkään kohteen lämmittämiseen.
Alla kuvaaja, jossa esitetään, kuinka viileneminen leviää porausreiän ympäristöön vuosien kuluessa.
Kaivon viilenemisestä aiheutuu hyötysuhteen (COP) alenemista.



Kaivon viilenemisestä seuraa maakierron menon ja paluun erotuksen (Dt = Δt) kasvu
ja sen seurauksena tarve lisätä maakierron tehoa.

Ei siis olisi syytä tehdä liian matalla energiakaivoa.

[tomppeli]

Lämpöpumppu (maalämpökone) toimii samalla periaatteella, kuin jääkaappi.
Jääkaapissa on sähkömoottorilla pyörivä kompressori, joka kierrättää helposti kaasuuntuvaa kylmäainetta jääkaapin sisällä olevan kylmäpatterin ja jääkaapin takaseinässä oleva lämpöpatterin kautta.
Kompressori imee kaasumaisessa tilassa olevaa kylmäainetta jääkaapin sisällä olevasta kylmäpatterista, höyrystimestä. Nestemäisessä tilassa olevaa kylmäainetta tulee paisuntaventtiilin pienen virtausaukon kautta kylmäpatteriin. Kompressorin voimakas imu saa nestemäisen kylmäaineen kaasuuntumaan kylmäpatterissa. Kaasuksi muuttuessaan kylmäaine jäähtyy muutamia kymmeniä asteita pakkaselle. Kylmäpatteri (= höyrystin) menee myös kylmäksi ja jäähdyttää jääkaappia sisältä.

Kompressorin ulostulopuolelle muodostuu 20 – 40 baarin ( ilmakehän) ylipaine. Ylimaineessa kaasu puristuu nestemäiseen tilaan.
Kaasuuntumiseen tarvittiin lisää lämpöä, joka otettiin jääkaapin sisältä.
Kun kaasu puristetaan takaisin nesteeksi, muuttuu se kuumaksi, koska siinä on mukana kaapista otettu ylimääräinen lämpöenergia. Kuuma neste kiertää jääkaapin takaosassa olevan patterin (lauhduttimen) läpi ja ylimääräinen lämpötila luovutetaan huonetilaan.

Jääkaapissa siirretään lämpöenergiaa kaapin sisäpuolelta kaapin ulkopuolelle.
Maalämpöpumppu toimii samoin.
Se siirtää maasta ottamaansa lämpöenergiaa veteen, joka kiertää lämpöpattereissa tai lattialämmityksessä. Se kuumentaa myöskin lämpimän käyttöveden.



Lämpöenergiaa otetaan maasta, joko porakaivosta tai vaakakeruulla pellosta.
Vaakakeruu ei ole kovin kriittinen keruupiirin ylikuormituksesta.
Ei haittaa, vaikka maa jäätyy keruuputkituksen ympärillä.

Lämpöpumppu (maalämpökone) toimii samalla periaatteella, kuin jääkaappi.
Jääkaapissa on sähkömoottorilla pyörivä kompressori, joka kierrättää helposti kaasuuntuvaa kylmäainetta jääkaapin sisällä olevan kylmäpatterin ja jääkaapin takaseinässä oleva lämpöpatterin kautta.
Kompressori imee kaasumaisessa tilassa olevaa kylmäainetta jääkaapin sisällä olevasta kylmäpatterista, höyrystimestä. Nestemäisessä tilassa olevaa kylmäainetta tulee paisuntaventtiilin pienen virtausaukon kautta kylmäpatteriin. Kompressorin voimakas imu saa nestemäisen kylmäaineen kaasuuntumaan kylmäpatterissa. Kaasuksi muuttuessaan kylmäaine jäähtyy muutamia kymmeniä asteita pakkaselle. Kylmäpatteri (= höyrystin) menee myös kylmäksi ja jäähdyttää jääkaappia sisältä.

Kompressorin ulostulopuolelle muodostuu 20 – 40 baarin ( ilmakehän) ylipaine. Ylimaineessa kaasu puristuu nestemäiseen tilaan.
Kaasuuntumiseen tarvittiin lisää lämpöä, joka otettiin jääkaapin sisältä.
Kun kaasu puristetaan takaisin nesteeksi, muuttuu se kuumaksi, koska siinä on mukana kaapista otettu ylimääräinen lämpöenergia. Kuuma neste kiertää jääkaapin takaosassa olevan patterin (lauhduttimen) läpi ja ylimääräinen lämpötila luovutetaan huonetilaan.

Jääkaapissa siirretään lämpöenergiaa kaapin sisäpuolelta kaapin ulkopuolelle.
Maalämpöpumppu toimii samoin.
Se siirtää maasta ottamaansa lämpöenergiaa lämmitysveteen, joka kiertää lämpöpattereissa tai lattialämmityksessä. Se kuumentaa myöskin lämpimän käyttöveden.

Lämpöenergiaa otetaan maasta, joko porakaivosta tai vaakakeruulla pellosta.
Vaakakeruu ei ole kovin kriittinen keruupiirin ylikuormituksesta.
Ei haittaa, vaikka maa jäätyy keruuputkituksen ympärillä.

Toisin on porakaivon kanssa.
Porakaivo ei saisi jäätyä. Jäätyminen voi vaurioittaa kaivossa olevia keräinputkia.
Jos lämpökaivo on alimitoitettu, saattaa maalämpökoneelta porakaivoon menevä putki voi mennä useita asteita pakkaselle. Putken ympärille muodostuu jäävaippa. Jos jäätä on paljon, voi se vettä kevyempänä nostaa keruuputkea ylös kaivosta ja keruuputki taittuu. Keruuneste ei pääse virtaamaan taitoskohdassa ja maalämpökoneen toiminta estyy.

Keruun lämpötilat ovat ensimmäisen vuoden aikana ihan ok, jos tuleva pysyy plussalla ja maahan menevä ei mene -2 C arvoa kylmemmäksi.
Noista arvoista voivat keruun lämpötilat laskea muutaman vuoden kuluessa noin 1 - 2 astetta.

On vähän syytä huoleen, jos keruulle menevän lämpötila menee ensimmäisenä vuonna enemmän, kuin 4 astetta pakkaselle.
Jos keruulle menevän lämpötila laskee enemmän kuin 8 astetta pakkaselle, pysähtyy maalämpökoneen kompressori lämmön vaihtimensa jäätymisuhan takia.

Invertterikone laskee kompressorin pyörimisnopeutta ja laskee sillä lämmitystehoaan, kun keruulle menevän lämpötila alkaa menemään liikaa pakkaselle.
Asteminuuttilukema kasvaa sen seurauksena ja maalämpökone ottaa lopulta sähkövastuslämmitystä käyttöönsä, suojatakseen kaivoa menemästä liian kylmäksi.

On/off -tyyppisessä maalämpökoneessa ei tällaista keruupiirin suojaustoimintoa ole.
Se vain lakkaa toimimasta, kun keruulle lähtevän lämpötila menee liian kylmäksi. Yleensä tuo arvo on asetettu -9 C arvoon.

Joskus kysytään, tarvitaanko invertterikoneelle syvempi energiakaivo, kuin on/off -koneelle.
Ei tarvita.
Molemmat ottavat maasta suunnilleen yhtä suuren lämpöenergiamäärän ja molemmille käy ihan samansyvyinen lämpökaivo.

[tomppeli]

Maakierron menon ja paluun lämpötilat pitkähkön käyntijakson aikana.

Lämpökaivolta tai vaakakeruulta (pellosta) tulee talvella normaalisti noin +2ºC .. -2ºC lämpöistä maaliuosta.
Maakiertoneste jäähtyy normaalisti maalämpökoneessa noin 2,5 - 3,5 astetta.
Keruulle palaa siis normaalisti noin +0,5ºC .. -4,5ºC lämpöistä maaliuosta.

- Maahan menevän lämpötila ei saisi laskea kylmemmäksi, kuin noin -5 .. -7 C.
  Jos on kylmempää, on keruupiiri on liian lyhyt ja menee liian kylmäksi, tai keruupiirin kierto on liian heikko.

- Maahan menevän ja sieltä palaavan lämpötilojen erotus (= dT -arvo) pitäisi olla korkeintaan noin 4 tai max. noin 4,5 (tai alle 5) astetta.
  Jos erotus on suurempi, on keruun kierto liian heikko.
  Syynä voi olla vaikkapa tukkeutunut mutasihti, tai liikaa ilmaa kierrossa.
  Toivottava dT (= menon ja paluun lämpötilojen erotus) on noin 2,5 - 3,5 astetta.

- Jos kaivoon menevän ja sieltä palaavan lämpötilojen erotus on alle 4 astetta,
  mutta kaivoon menee kuitenkin -5 tai kylmempää, on kaivo liian kylmä.
  Maalämpökone menee vikatilaan, jos keruulle menee -8ºC, tai sitä kylmempää maaliuosta.

Jos keruun kierron lämpötilojen erotus on pienempi, kuin 2 astetta, viittaa se siihen, että maalämpökone ei pysty siirtämään lämpöenergiaa maasta tuvan lämmittämiseen. Lämpöpumpun kylmätekniikassa, tai lämmön siirtymisessä pumpulta lämmitettävään kohteeseen on silloin todennäköisesti vikaa ja tarvitaan huoltomiestä.