Maalämpöpumpun lämmönkeräysjärjestelmän kehittäminen pientalokohteessa ja maalämpöjärjestelmien teknistaloudellinen vertailu

Abstract

Tulevaisuudessa pientalojen lämmitysenergiankulutus tulee pienenemään, ja tämä asettaa haasteita lämmitysjärjestelmän kehittämiselle entistä kustannustehokkaammaksi investoinnin näkökulmasta. Suosittu vaihtoehto pientalojen lämmitykseen on maalämpö, jonka toimintaan vaikuttaa oleellisesti lämpöpumpun lämmönlähde. Koska talojen lämmitysenergian tarve on laskussa, jatkossa suosittujen lämpökaivon poraamisen sijan maaperään vaakasuoraan asennettavien putkistojen määrä saattaa lisääntyä.

Tästä näkökulmasta tarkastellaan maaperän ominaisuuksia lämmönlähteenä ja mahdollisuuksia vaakakeruuputkiston tiiviimpään asennukseen. Tässä työssä selvitetään eri lämmönlähteisiin, kuten maaperään, vesistöön tai kallioon, asennettavien maalämmön lämmönkeruujärjestelmien eroavaisuuksia kustannuksien ja järjestelmien kenttäolosuhteissa suoriutumisen osalta. Tutkimus suoritetaan kirjallisuusselvityksen keinoin, jossa kerätään tietoa suljettuun kiertoon perustuvien lämmönkeruujärjestelmien vertailua varten. Lämmönkeruujärjestelmille suoritettuja kenttämittausten tuloksia vertaillaan, ja vertailun tuloksia hyödynnetään myös kustannuslaskelman laatimisessa. Pientalon osalta tarkastellaan kohdetta, jonka energiankulutus on rakennusmääräysten suosituksia pienempi. Kustannusvertailun ja asennusteknisten tietojen avulla pyritään tunnistamaan ne kohteet, joissa kunkin järjestelmän asentaminen on suositeltavaa.

Lämmönkeruupiirien kustannusten havaittiin vaihtelevan voimakkaasti asennuskohteen mukaan, mikä vaikuttaa voimakkaasti myös lämmönkeruupiirin käytettävyyteen. Vaakakeruupiirin osalta selvitetään periaatteet, joilla keruuputkisto mitoitetaan ja asennetaan. Pinta-alan optimoinnin näkökulmasta vaakakeruupiiriä voidaan käyttää myös rakennuksen viilennykseen, joka vähentää kaivutöiden ja tarvittavan putkiston määrää. Työssä selvinneiden seikkojen perusteella on laadittu vaakakeruupiirin kenttätestausta varten mittaussuunnitelma jatkotutkimusehdotuksineen.

In the future the energy consumption of detached houses is declining and therefore developing more cost effective methods for heating in terms of investment is necessary. A popular way of providing heat to a detached house is installing a ground source heat pump, whose performance is dependent on the heat source used for heat collection. The borehole heat exchangers have long been the most popular type of ground heat exchangers but because of the declining energy consumption of residential buildings the ground source heat pump using horizontally installed piping for heat collection could gain popularity in the future.

Therefore in this thesis the ground thermal properties affecting these systems are investigated, as well as the possibility for a more compact installation. The objective of the thesis was also to compare potential sources for heat (the ground, bedrock and surface water), based on previous field test measurement data and economic analysis. A literature review of existing ground source heat collection systems was done in order to get material for comparison. Based on the review, different closed-loop heat exchangers were compared on the grounds of feasibility and system performance. On the basis of the literature review and techno-economical comparison, different circumstances of applicability were recognized. The detached house used in the case study is a building which consumes less energy than a standard house.

It was found out that the functionality of the ground heat exchanger varies strongly depending on the climate and the properties of plot on the detached house. In the course of the study the basics for installing and measurement of horizontal ground source heat exchanger (HGHE) systems are explained. A new, more compact and efficient, way of installing HGHEs could for example, be using HGHE in combination with passive cooling. On the basis of the literature review and techno-economical comparison, a plan for experimental testing of a horizontal collector installed into a detached house plot is introduced.