Lämpökaivojen hyödyntäminen kiinteistöjäähdytyksessä

Abstract

Opinnäytetyössä tutkittiin asuinkerrostalon jäähdytysjärjestelmän toimintaa maalämpö- ja maakylmäkytkennässä. Tavoitteena oli tutkia maakylmää hyödyntävän jäähdytysjärjestelmän kytkentävaihtoehtoja uudisrakennuksen kustannustehokkuuden ja elinkaaritalouden näkökulmasta. Opinnäytetyö tehtiin Sweco Finland Oy:n toimeksiantona. Tutkimustyön apuna käytettiin EQUA Simulation AB:n tarjoamaa IDA ICE -energiasimulointityökalua tutkimuksen tarkkuuden ja vaativuuden vuoksi.

Työn alussa on esitelty maalämpö- ja maakylmäjärjestelmän toimintaa ja erityispiirteitä, jonka jälkeen perehdyttiin syvemmin järjestelmän komponenttien ja maaperän ominaisuuksien tarkasteluun sekä fysikaalisiin ilmiöihin, joita on huomioitava. Tämän jälkeen selvitettiin, mistä kokonaisjäähdytysenergian tarve koostuu ja mitkä tekijät vaikuttavat siihen voimakkaimmin. Tarkasteltavan asuinkerrostalon tietomalli luotiin huomioimalla ympäristöministeriön asettamat vähimmäisvaatimukset uudiskerrostalojen rakentamisessa.

Tutkimuksen tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia maakylmää hyödyntävän jäähdytysjärjestelmän vapaajäähdytyksen osuutta jäähdytyskaudella. Jäähdytysjärjestelmän laajuuden vuoksi tutkimus rajattiin ensiöpuolen toiminnan tarkasteluun. Tarkasteluissa keskityttiin pääasiassa vapaa- ja aktiivijäähdytyksen keskinäiseen toimintaan. Yksinkertaisuudessaan tavoitteena oli selvittää, kuinka paljon on mahdollista hyödyntää lämpöpumppujärjestelmän mahdollistamaa halpaa vapaajäähdytystä ja mitkä parametrit vaikuttavat siihen olennaisimmin.

Opinnäytetyön tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että energiakaivojen lisääminen ei suoraan lisännyt vapaajäähdytyksen osuutta ainakaan tutkittavassa asuinkerrostalossa, koska rakennuksen jäähdytysenergian tarve oli huomattavan suuri suhteessa jäähdytysjärjestelmän huipputehoon. Tämä havaittiin tarkastelemalla keruupiirin paluunesteen lämpötilaa, josta tehtiin johtopäätös, että neste ei ehtinyt jäähtymään keruupiirissä riittävästi. Tähän suureen energian tarpeeseen puolestaan vaikuttivat muun muassa rakennuksesta riippumattomat seikat, kuten rakennuksen suuntaus, sijainti ja ulkopuoliset varjostukset.

The thesis examined the operation of the cooling system of an apartment building in terms of geothermal heat and ground cold switching. The aim was to explore the connection options of a cooling system for the new building from the point of view of cost-effectiveness and life-cycle economy. The thesis was carried out as a mandate from Sweco Finland Oy. The IDA ICE energy simulation tool provided by EQUA Simulation AB. was used to help with research work because of the accuracy requirements and complexity of the research.

At the beginning of the thesis, the operation and special features of the ground source heating and cooling system were investigated, followed by a more detailed examination of the components and soil characteristics of the system and the physical phenomenon to be taken into account. The need for total cooling energy was then studied, and the factors that most strongly affect it. The data model of the apartment building was created by taking into account the minimum requirements set by the Ministry of the Environment for the construction of new blocks of flats.

The main objective of the study was to study the proportion of free cooling in the cooling period of the ground cold cooling system. Due to the scope of the cooling system, the study was limited to the examination of primary activity. The main focus of the reviews was on the interaction between free and active cooling. In its simplicity, the aim was to find out how much it is possible to use cheap free cooling made possible by the heat pump system and what parameters are most relevant to it.

Based on the results of the thesis, it can be stated that the addition of boreholes did not directly increase the proportion of free cooling, at least in the residential apartment building under study, because the required cooling energy was high in relation to the cooling power of the building. This was observed by looking at the temperature of the return liquid of the collection circuit, from which it could be concluded that the liquid did not collect enough to cool in the collection circuit. In turn, this high energy need was influenced by factors independent of the building, such as the building's orientation, location, and external shading.