Maaperän lämpöenergian hyödyntäminen lämpöpumpulla

Maaperän lämpöenergialla saadaan nostettua lämpöpumpun hyötysuhdetta kylmillä ulkolämpötiloilla. Säästöä energiakustannuksiin on saavutettavissa ulkolämpötilan ollessa alle + 3 °C.

Kannattavuustarkastelu lämpöpumppujen esilämmityksestä

Talvella ulkolämpötila laskee alhaiseksi, jolloin ilmavesi- ja ilmalämpöpumppujen hyötysuhde heikkenee. Teoriatasolla tarkasteltiin, voiko ilmavesilämpöpumpun toimintaa tehostaa maaperän lämpöenergiaa hyödyntämällä. Järjestelmässä tuloilmaa lämmitetään maanalaisessa putkistossa (artikkelin pääkuva). Tarkasteltava kiinteistö on pientalo, toki järjestelmä soveltuu myös suurempiin kohteisiin.

Tarkastelun ilmavesilämpöpumppu on lämmitysteholtaan 9 kW. Maaperään noin kahden metrin syvyyteen on kaivettu neljä 12 metriä pitkää putkea, joiden sisähalkaisija on 20 cm.  Maanpinnalla oleva ilman tuloaukko on suojattu, josta ulkoilma pääsee sisään lämpenemään putkistoon.

Ilma virtaa putkissa puhaltimen avustuksella. Esilämmitettyä ilmaa puhalletaan nousukuilusta ilmavesilämpöpumpun ulkoyksikköön, jolloin lämpöpumpun hyötysuhde paranee ja syntyy energiansäästöä (kuva 1).

Vuotuisesta kokonaislämmitysenergiatarpeesta voidaan saavuttaa järjestelmän avulla 12 %:n säästö. Vuotuiseen energiansäästöön vaikuttaa kuitenkin moni tekijä, joista suurimmat ovat maaperän laatu ja lämpöpumpun ulkoyksikön käyttämä ilmamäärä.

Lämpöpumpun tuloilman lämmittämistä maaperään upotettujen putkien avulla ei ole Suomessa juuri tutkittu. Kuitenkin tämän tapaisia järjestelmiä lämmitykseen ja jäähdytykseen on aikaisemmin tutkittu ja toteutettu muun muassa Floridassa (Zandeckis ym. 2015), Goswami 1993).

Maaputkistojärjestelmää voi käyttää ilmastosta riippuen joko rakennusten jäähdytykseen tai lämmitykseen. Suomen oloissa järjestelmä toimii paremmin lämmityskäytössä.

Koejärjestelyt suunnitteilla

Teoriatason tarkastelu vaikutti lupaavalta, ja sen pohjalta on tarkoitus jatkaa käytännön koejärjestelyihin. Järjestelmä asennetaan kesän aikana Kouvolassa sijaitsevaan kohteeseen. Seuraavan lämmityskauden aikana seurataan putkistolla lämmitetyn ilman lämpötiloja. Lisäksi seurataan järjestelmän vaikutusta lämpöpumpun hyötysuhteeseen.

Koejärjestelyt ovat yksi hyvä esimerkki alueellisesta projektimuotoisesta yhteistyöstä. Xamkissa tästä yhteistyömallista käytetään nimitystä kolmikanta-malli, jossa on toimeksiantaja, ohjaaja ja tekijä. Tämä koejärjestely toteutetaan kolmikanta-mallin mukaisesti yhteistyössä alueen toimijan, Xamkin TKI-toiminnan ja koulutuksen kesken.

– Opiskelijoille on tärkeä saada tämän projektin kaltaisia todellisia ja käytännönläheisiä tarkasteluja osaksi opintoja, toteaa energiatekniikan lämpö- ja virtaustekniikan lehtori Hannu Sarvelainen.

Lähteet

Goswami, Y., Biseli, K. 1993. Use of Underground Air Tunnels for Heating and Cooling Agricultural and Residential Buildings. Fact sheet EES 78, 1-4. [Viitattu 3.5.2023]. Saatavissa:  http://ufdcimages.uflib.ufl.edu/IR/00/00/48/50/00001/EH21100.PDF

Zandeckis, A., Klavina, K., Dzikevics, M., Kirsanovs, V., Zogla, G. 2015. Solutions for Energy Efficient and Sustainable Heating of Ventilation Air: A Review. Journal of Engineering Science and Technology Review 8 (3) (2015) 98-111.