Maalämpöjärjestelmän kysyntäjousto vanhoissa asuinkerrostaloissa

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää, miten vanhan asuinkerrostalon maalämpöjärjestelmällä voidaan toteuttaa kysyntäjoustoa. Erityisesti tutkittiin, kuinka pitkiä joustojaksoja voidaan toteuttaa sisälämpötilan pysyessä sosiaali- ja terveysministeriön (STM) asumisterveysasetuksen mukaisen 18 °C:n toimenpiderajan yläpuolella.

Tutkimus toteutettiin dynaamisella rakennussimuloinnilla IDA ICE -ohjelmistolla. Simulointimalli perustui tyypilliseen 1970-luvun betonielementtikerrostaloon, johon mallinnettiin osatehomitoitettu maalämpöjärjestelmä. Simuloinneissa tarkasteltiin symmetrisiä 1–4 tunnin ja epäsymmetrisiä 1–2 tunnin latausjoustosyklejä patteritermostaattien asetusarvon muutoksilla ΔT 1–8 °C eri ulkolämpötiloissa. Symmetrisissä latausjoustosykleissä latausjakso ja joustojakso olivat yhtä pitkiä, kun taas epäsymmetrisissä sykleissä latausjaksoa pidennettiin suhteessa joustojaksoon.

Tulokset osoittivat, että maalämpöjärjestelmän sähkötehoa voidaan joustojakson aikana pudottaa 59–80 prosenttia, kun patteritermostaattien asetusarvoa muutetaan ΔT 3 °C 1–4 tunnin symmetrisessä joustosyklissä. Sisälämpötila pysyi kaikissa simuloinneissa sosiaali- ja terveysministeriön asumisterveysasetuksen toimenpiderajan yläpuolella. Epäsymmetriset ylilataavat syklit eivät tuottaneet merkittävää lisähyötyä symmetrisiin sykleihin verrattuna. Pidemmillä joustojaksoilla rakenteiden lämmönvarauskyky alkoi saavuttaa rajansa kovilla pakkasilla ja joustojakson jälkeinen rebound-ilmiö voimistui erityisesti suuremmilla asetusarvon muutoksilla.

Tulokset tukevat käsitystä siitä, että vanhojen maalämpökerrostalojen lämmityksen joustolla on potentiaalia osallistua sähköjärjestelmän tasapainottamiseen. Jouston käytännön toteutus edellyttää kuitenkin IoT-termostaattiventtiileitä, ulkolämpötilan huomioivaa ohjauslogiikkaa sekä rebound-ilmiön hallintaa esimerkiksi porrastetulla palautuksella.

The objective of this thesis was to investigate how demand response can be implemented using a ground-source heat pump system in an old residential apartment building. In particular, the study examined how long flexibility periods can be maintained while keeping indoor temperatures above the 18 °C intervention limit set by the Finnish Ministry of Social Affairs and Health.

The study was conducted using dynamic building simulation with IDA ICE software. The simulation model was based on a typical 1970s concrete apartment building with a part-capacity ground-source heat pump system. Both symmetric (1–4 hour) and asymmetric (1–2 hour) charge–flexibility cycles were simulated with radiator thermostat setpoint changes of ΔT 1–8 °C at various outdoor temperatures. In symmetric cycles, the charging and flexibility periods were equal in length, whereas in asymmetric cycles the charging period was extended relative to the flexibility period.

The results showed that the electrical power demand of the heat pump system can be reduced by 59–80 per cent during the flexibility period with a ΔT 3 °C setpoint change in 1–4 hour symmetric cycles. Indoor temperatures remained above the regulatory intervention limit in all simulations. Asymmetric overcharging cycles did not provide significant additional benefit compared to symmetric cycles. In longer flexibility periods, the thermal storage capacity of the building structures began to reach its limits in severe cold weather, and the post-flexibility rebound effect intensified particularly with larger setpoint changes.

The results support the view that heating demand response in old apartment buildings with ground-source heat pump systems has the potential to contribute to power system balancing. However, practical implementation requires IoT-enabled thermostatic radiator valves, outdoor temperature-aware control logic, and rebound management through measures such as staggered recovery.