+358 20 123 0800

Kerrostalojen maalämpöjärjestelmiin tehokkuutta kaivokentän suunnittelulla

Kiinteistön maalämpöjärjestelmän hankinta tarvitsee onnistuakseen huolelliset mittaukset, hyvän suunnittelun ja erinomaisen toteutuksen käyttöönottoineen. Lämpökaivojen mitoittaminen ja varsinkin useita energiakaivoja sisältävän kaivokentän suunnittelu on asiantuntijatyötä, joka kannattaa suurten kiinteistöjen, kuten kerrostalojen, osalta teettää vain osaavilla ammattilaisilla. Etävalvonta ja säännöllinen huolto varmistavat, että järjestelmä toimii halutulla tavalla ja mahdollisiin piileviin ongelmiin voidaan reagoida nopeasti.

Maalämpö hankitaan lämmitysmuodoksi yhä useammin taloyhtiöihin sen helppouden ja taloudellisuuden vuoksi. Energiatehokkaan lämmitysjärjestelmän hankinnan myötä myös kiinteistön huoneistojen arvo nousee. Mitä isompi kiinteistö on, sitä tuntuvammat ovat säästöt lämmityskuluissa ja sitä lyhyempi on investoinnin takaisinmaksuaika.

Kerrostalokiinteistöjen mittakaavassa toteutettava maalämpöjärjestelmä vaatii lämmönlähteeltä enemmän. Kerrostaloissa maalämmön lähteenä käytetään yksittäisen maalämpökaivon sijaan useasta kaivosta koostuvaa lämpökaivokenttää.

Kaivokentän mitoituksessa joudutaan ottamaan huomioon useita eri muuttujia. Maalämpökaivon hinta määräytyy kaivojen syvyyden mukaan. Kaivojen syvyys ja paikat taas määräytyvät mm. kiinteistön lämmitysenergian tarpeen ja porattavan maaperän ominaisuuksien mukaan.

Tässä artikkelissa kaivokentän mitoitusta pohtivat geofyysikko ja maalämpöasiantuntija Nina Leppäharju Geologian tutkimuskeskukselta, Lapon Oy:n maalämpösuunnittelija Miikka Peltokorpi sekä Rototec Oy:n konsultointitoiminnan johtaja Tomi Mäkiaho.

 

Monet tekijät vaikuttavat kaivokentän mitoitukseen

Lapon Oy:n Miikka Peltokorven mukaan kiinteistön lämmitysenergian tarve sekä kallion ominaisuudet, kuten lämpötila ja kivilaadun lämmönjohtavuus ovat keskeisiä kaivokentän mitoitukseen vaikuttavia seikkoja.

”On huomioitava, että kaivo jäähdyttää noin 100 metrin säteellä kallioperää ympäriltään, joten kaivokentissä kaivot alkavat jäähdyttää toisiaan. Kaivojen etäisyydet sekä kaivokentän muoto vaikuttavat oleellisesti lämpökentän mitoitukseen”, Peltokorpi sanoo.

”Kaivokenttien mitoituksessa määritellään lämpökaivojen määrä, sijainnit, kaivojen syvyydet ja sijoittelu toisiinsa nähden. Mitoituksen pohjaksi tarvitaan tarkat tiedot kiinteistön energian tarpeesta”, kertoo Nina Leppäharju Geologian tutkimuskeskukselta.

Nina Leppäharjun mukaan mitoitukseen vaikuttaa ehdottomasti eniten kiinteistön maantieteellinen sijainti. Vaikutus poraustarpeeseen yksittäisen kaivon osalta esim. Helsingin ja Rovaniemen välillä on jopa useita kymmeniä metrejä ja kerrostalokiinteistön usean kaivon lämpökaivokentässä vaikutus on moninkertainen.

”Mitoitusasiaa lähestytään ensin termisen vasteen testimittauksella (TRT),  jotta saadaan tietoa mitä on maanpinnan alla. Mitoituksessa huomioidaan aina kallioperän lämpötila ja kivilajin lämmönjohtavuus”, Leppäharju kertoo.

Rototec Oy:n konsultointitoiminnan johtaja Tomi Mäkiahon mukaan vain mittauksilla ja simuloinnilla saadaan riittävästi tietoa kaivokenttien suunnittelua varten.

”Kaivokentän mitoitukseen vaikuttaa niin monta eri tekijää, kuten kivilajin lämmönjohtavuus sekä paikallislämpötila, että pelkillä nyrkkisäännöillä ei voida luoda kestävää maalämpöjärjestelmää. Muun muassa kaivojen vaikutukset toisiinsa, erilaiset rakennustyypit ja se kuinka paljon jäähdytystä saadaan kesällä, eivät ole ennakoitavissa ilman mittauksia ja simulointeja”, Mäkiaho summaa.

 

Nyrkkisäännöt soveltuvat huonosti lämpökaivokenttiin

Yleisten nyrkkisääntöjen mukaan lämpökaivosta saadaan energiaa vuodessa karkeasti noin 100 kilowattituntia per metri. Yksittäisten kaivojen osalta nyrkkisäännöillä voidaan saada suuntaa antavia arvioita poraustarpeesta, mutta suuremmissa kaivokentissä yksittäisten kaivojen vaikutus toisiinsa on jo sen verran huomattavaa, ettei pelkästään nyrkkisäännöillä kannata lähteä toteuttamaan porauksia. Ohjeellisissa säännöissä on asiantuntijoiden mukaan vaihtelua mm. alueellisesti.

Lapon Oy:n Miikka Peltokorven mukaan lämpökaivon mitoituksen nyrkkisäännöt soveltuvat 1-2 kaivon järjestelmään, jossa ei tarvitse välttämättä huomioida keskinäistä vaikutusta.

”110—130 kWh/m voidaan pitää nyrkkisääntönä yksittäiselle kaivolle Tampereen eteläpuolisilla alueilla Suomessa. Kaivokenttään vastaavalla alueella voidaan soveltaa 90-100 kWh. Pohjoisessa Suomessa 70-90 kWh voidaan pitää mitoituksen haarukkana kallion ominaisuuksista riippuen”, Peltokorpi linjaa.

GTK on päivittämässä geoenergiakarttaa, joka kertoo kallioperän paikallisen geopotentiaalin.

GTK on päivittämässä geoenergiakarttaa, joka kertoo kallioperän paikallisen geopotentiaalin.

”Yksittäisten lämpökaivojen mitoitukseen Etelä-Suomen osalta, jossa kallion häiriintymätön keskilämpötila on 7-9 astetta, voidaan antaa nyrkkisäännöksi varovainen 95 kWh/m aktiiviosuudelle, jos huomioidaan, että naapuritkin voivat hankkia energiakaivon. Aktiivisyvyys tarkoittaa syvyyttä, joka on vedenpinnan alapuolella kaikkina vuodenaikoina”, Rototecin Tomi Mäkiaho kertoo.

”Kerrostalokiinteistön väljän lämpökentän vastaava arvo on 85 kWh/m ja 75 kWh/m, jos kyseessä on tiivis kenttä”, Mäkiaho jatkaa.

GTK:n Nina Leppäharjun mukaan Suomessa osataan pääsääntöisesti onnistuneesti yksittäisten kaivojen mitoitus, mutta samoja peukalosääntöjä ei voida soveltaa kaivokenttiin. Tutkimuskeskus on tuottanut kaupungeille maalämmön hyödyntämistä tukevia geoenergiapotentiaaliselvityksiä. Myös koko Suomen geoenergiapotentiaalista on julkaistu kartta, josta on suunnitteilla uusi versio.

”GTK päivittää nykyisen potentiaalikartan siten, että siinä pyritään esittämään energiapotentiaalia numeroina. GTK tulee laatimaan myös syvän geotermisen energian ja pohjavesienergian potentiaalikartat”, Leppäharju valottaa tutkimuskeskuksen tulevia projekteja.

Leppäharjun mukaan mitoituksessa tulisi huomioida myös mahdollinen muutos kiinteistön energiantarpeessa. Leppäharju linjaa, että yksittäisten lämpökaivojen suunnittelu peukalosäännöillä voi onnistua, mutta useamman kaivon lämpökaivokentät on hyvä suunnitella ja simuloida kunnolla.

 

Mittaukset ja simulointi auttavat kaivokentän suunnittelussa

Lapon Oy:n Miikka Peltokorven mukaan kaikki yli 3 kaivon kaivokentät kannattaisi simuloida ja TRT-mittaus tehdä yli 10 kaivon kenttiin.

”Simuloinnilla saadaan varmuus siitä, että kaivokentästä saadaan haluttu määrä energiaa kiinteistön koko elinkaaren ajan”, Peltokorpi perustelee.

”Monen sadan tonnin investointia ei kannattaisi lähteä toteuttamaan oletusmallien vakioarvoilla, joilla ei voida laskea riittävän tarkasti. Kallion lämpötila ja lämmönjohtavuusominaisuudet vaihtelevat hyvin paljon, joten yllätyksiä voi tulla”, Miikka Peltokorpi jatkaa.

Rototecin Miikka Mäkiahon mukaan kallion lämmöntuottokyvyn mittauksissa otetaan huomioon keskiarvot.

”Mittauksissa maahan johdetaan lämpöä ja selvitetään, kuinka nopeasti lämpö siirtyy kallioperässä. Jos pohjavesi virtaa, se on hyvä asia kaivoille, mutta ei ratkaiseva seikka”, Mäkiaho arvioi. Myös GTK:n Leppäharjun mukaan TRT-mittauksissa huomioidaan pohjaveden liike eli konvektio, mutta sen vaikutus on hyvin pientä, koska Suomessa kallioperä on suhteellisen tiivis.

GTK:n Nina Leppäharjun mukaan tietokoneohjelmalla tehtävän mitoituksen tarve täytyy arvioida tapaus kerrallaan.

”Mallinnus maksaa, mutta vaikka sen myötä kaivoihin tulisi enemmän metrejä, tulee järjestelmästä varmasti pitkäikäisempi, kun kaivokenttä on mallinnettu. Myös vähemmät kaivot saattavat riittää, kun huomiot on tehty kaivojen määrästä simuloimalla ja todettu potentiaalin riittävyys järjestelmän elinkaaren ajan. Suosittelen simulointia yli 10 kaivon järjestelmissä ja sitä ennen tapauskohtaisesti, varsinkin pienillä tonteilla”, Leppäharju linjaa.

Nina Leppäharjun mukaan erillinen suunnitelma kaivokentästä kannattaa ehdottomasti teettää, jos kohde on suurempi tai erikoisempi, jos kenttään on tulossa yli 10 kaivoa tai jos tarvitaan vinokaivoja.

Rotetecin Tomi Mäkiaho on samoilla linjoilla.

”Maalämpökenttä toteutetaan yleensä neliön- tai L-muotoisena. Kaivokenttää ei kuitenkaan tulisi toteuttaa nyrkkisäännöillä ilman suunnittelua. Isoihin kenttiin on kannattavaa teettää kunnollinen suunnitelma, koska sitä tehokkaammin kentästä saadaan otettua energiaa. Hyvällä suunnittelulla varmistetaan järjestelmän kustannustehokkuutta”, Mäkiaho summaa.

 

Kaivokentän suunnittelu varmistaa maalämpöjärjestelmän tehokkuuden

Rototecin Tomi Mäkiaho kertoo, että simuloinnit ja TRT-mittaukset tehdään Ruotsissa tarkemmin, koska siellä maalämpötyötä on tehty pidempään kuin Suomessa.

Laponin Miikka Peltokorven mukaan ala on Suomessa niin nuori, ettei pitkän tähtäimen ongelmia ole juurikaan koettu.

”Harva kaivokenttä on päässyt vielä 10 vuoden ikään, jolloin monet mitoitusongelmat yleensä havaitaan. Ruotsissa on vaatimus että, Tukholman alueella tulee olla tehtynä kaivokentän simulointi ennen porauksia. Simulointiohjelmat ovat parhaita työkaluja silloin kun niitä osataan käyttää”, Miikka Peltokorpi sanoo.

Kaivokentän suunnittelu kannattaa tehdä ennen maalämpökaivojen porausta. (Kuva: Rototec)

Kaivokentän suunnittelu kannattaa tehdä ennen maalämpökaivojen porausta. (Kuva: Rototec)

GTK:n Nina Leppäharju on jakanut tietoa lämpökaivojen mitoituksesta mm. porareitten koulutuksissa.

”Olen kokenut, että alan toimijoilla löytyy suurta tiedon kaipuuta. Vaikka ala on mennyt vauhdilla parempaan suuntaan, kehittämisen tarvetta löytyy edelleen. Käytössä on rajallisesti työkaluja kenttien mitoitukseen”, GTK:n Leppäharju arvioi.

Leppäharju näkee mitoituksen asiana, jota ei kannata säästösyistä jättää tekemättä.

”Huolellinen suunnittelu ja lisämetrit lämpökaivossa tai lisäkaivot energiakaivokentässä tuovat varmuutta ja tehokkaamman järjestelmän pidemmällä aikavälillä”, GTK:n Nina Leppäharju painottaa.

”Kaivokentän suunnittelun tarkoitus on taata toimiva, alkuinvestoinniltaan kustannustehokas ja rakennuksen elinkaaren ajan riittävästi lämpöenergiaa tuottavan maalämpöjärjestelmän hankinta. Hyvällä suunnittelulla saadaan varmuus, että maalämpöjärjestelmä toimii, kuten halutaan. Hyvin ja huonosti suunnitellun maalämpöjärjestelmän hyötysuhteessa voi olla niin suuri ero, että järjestelmä säästää vuodessa suunnitteluun käytetyn hinnan. Lisäsähkö tai uusien lämpökaivojen poraaminen jälkeenpäin tulevat yleensä huomattavasti kalliimmaksi kuin etukäteen tehty suunnittelu”, Miikka Peltokorpi perustelee.

Rototecin Mäkiahon mukaan kaivokenttäsuunnitelma voi myös toimia osana maalämpöjärjestelmän tarjouskilpailutusaineistoa.

”On tärkeää, että tilaajalla on tuntuma mitä ollaan tekemässä. Hankesuunnitteluun voidaan käyttää nyrkkisääntöjä, mutta jos tarkoituksena on rakentaa monimutkaisempi hybridisysteemi, jossa maalämpöä täydennetään, esimerkiksi lämmön talteenotolla, on huolellisempi suunnittelu hyvin tärkeää”, sanoo Tomi Mäkiaho.

”Maalämpöala on kehittynyt paljon, kun vertaa tilanteeseen esimerkiksi 5 vuotta sitten. Nykyisin toteutamme konsernina noin 400 isompaa maalämpöprojektia vuodessa. Maalämpö on tällä hetkellä pienessä buumissa, kun ensin ollaan pientaloissa saatu hyviä kokemuksia järjestelmien toimivuudesta”, Rototecin Tomi Mäkiaho kertoo.

 

Liian pieni kaivokenttä jäähtyy nopeasti

Maalämpöjärjestelmien tyypillisimmät ongelmat johtuvat siitä, että lämpökaivoja on energiatarpeeseen nähden liian vähän tai ne eivät ole riittävän syviä. Maaperä kylmenee liikaa, kun lämpöenergiaa pumpataan kaivosta ja järjestelmän hyötysuhde laskee.

GTK:n Nina Leppäharjun mukaan lämpökaivojen alimitoitus ilmoittaa itsestään salakavalasti.

”Energiakustannukset alkavat huomaamattomasti nousta ja jossain vaiheessa havahdutaan tutkimaan sähkölaskun syitä tarkemmin. Kenttien osalta alimitoitus huomataan nopeammin. Alimitoitetusta kentästä ei enää saada riittävää määrää energiaa ja tällöin lämmönlähteen lämpötila vaikuttaa suoraan järjestelmän lämpökertoimeen, dramaattisemmin kuin yksittäisten kaivojen osalta”, Leppäharju kertoo.

Rototecin Tomi Mäkiaho ei pidä hyvänä tapana porata kaivoja liian lähelle toisiaan.

”Kaivojen yläpäiden olisi yleisesti hyvä sijaita toistaan noin kymmenen metrin päässä. Erityistapauksissa kaivojen yläpäiden etäisyys voi olla pienempikin, jos toiminta varmistetaan mallinnuksella”, Mäkiaho sanoo.

Tomi Mäkiahon mukaan samasta kohdasta vinoon poratun kaivokentän riskinä on kaivojen yläosien jäätyminen ja tästä johtuen viuhkamainen kaivokenttä vaatii huolellisen mitoituksen.

”Suunnitteluvirhe huomataan melko pian. Räikeimmät mitoitusvirheet huomataan, jos ollaan porattu yhdestä kohtaa ns. viuhkamuotoon ja kaivojen yläosat ovat jäätyneet 2 vuoden käytön jälkeen”, Tomi Mäkiaho kertoo.

Lapon Oy:n Miikka Peltokorven mukaan liian pieni kaivokenttä voi jäähtyessä pahimmillaan jäätyä ja tällöin riskinä on, että lämpökaivojen putket painuvat lyttyyn veden laajetessa jäätyessään. Peltokorven mukaan kaivokentän ylimitoituksesta ei ole muuta haittaa kuin aiheutuneet porauskustannukset. 

”Pieni alimitoitus ilmenee yleensä 5-10 vuodessa, kun kaivokenttä alkaa jäähtyä hitaasti. Oikein mitoitettu kaivokenttä jäähtyy hiljalleen, mutta kaivokenttää ei päästetä jäätymään rakennuksen elinkaaren aikana”, Peltokorpi sanoo.

 

Asiantuntevaa kaivokentän suunnittelua

Geologian tutkimuskeskus, Rototec, Lapon Oy sekä monet muut toimijat, kuten insinööritoimistot tarjoavat kaivokenttäsuunnittelua, simulointia ja TRT-mittauksia.

Rototec toimittaa maalämpöä ja -viilennystä pääasiassa suurille kiinteistöille ja teollisuuden kohteisiin. Yrityksen palvelu kattaa koko maalämpöjärjestelmän kaivokentän toimituksen energiajärjestelmän konsultoinnista TRT-mittaukseen, kaivokentän suunnitteluun, poraukseen, järjestelmän asennukseen ja huoltoon.

Miikka Peltokorpi kertoo, että Lapon Oy:n tekemä kaivokentän suunnittelu sisältää kaivojen paikat, porauskallistukset, vaaka- ja runkoputkiston sekä painehäviölaskelmat. Lapon Oy suunnittelee kaivokentät aina siten, että ne toimivat mahdollisimman hyvin yhteen maalämpöpumppujen kanssa.

”Suunnittelu lähtee simuloinnista, jolla määritellään kaivonpaikat. Suunnitelman tulee vastata simulointia, jotta kaivokenttä käyttäytyy siten, miten se on simuloitu. Vaaka- ja runkoputkisto tulee suunnitella siten, että painehäviöt olisivat mahdollisimman pienet ja putkiston ilmaus ja tasapainotus mahdollisimman helppoa”, Peltokorpi sanoo.

”Suunnittelu kannattaa teettää, kun kustannus on kuitenkin vain noin 1-2 % maalämpöjärjestelmän koko investointikustannuksesta”, Miikka Peltokorpi perustelee.

Geologian tutkimuskeskus keskittyy suunnittelemaan erityisesti suuria maalämpökohteita, joihin liittyy tutkimus- ja kehitysnäkökulma. TRT-mittausten sekä tulosten tulkinnan jälkeen tehdään yleensä kaivokentän mitoitus ja sijoittelusuunnitelma.

”Tarpeen mukaan olemme ohjeistamassa myös toteutusta. GTK:n kautta on saatavilla myös monitorointipalvelu, jolla järjestelmän toimintakykyä voidaan seurata käyttövuosien aikana. Monitoroinnista on hyötyä silloin kun kiinteistön energiatarpeessa tapahtuu muutoksia”, GTK:n Nina Leppäharju kertoo.

”Olemme tehneet monitorointia mm. Suomen suurimpiin kaivokenttiin Sipoossa. S-ryhmän logistiikkakeskuksien tonteilla sijaitsevat kaivokentät muodostavat 300 lämpökaivon monitoroitavan kokonaisuuden. Monitoroinnin avulla tässä kohteessa on voitu ohjata kaivokentän käyttöä ja saavuttaa merkittäviä säästöjä”, Leppäharju sanoo.

Lue myös artikkelimme kerrostalon maalämpöpumpumun mitoituksesta.