Lämmön kausivarastointi

[virtuaaliharri]

Toisen keskusteluketjun innoittamana päätin avata uuden ketjun, jotta otsikko istuisi paremmin aiheeseen. Kanadassa siis varastoivat aurinkolämpöä kesäkaudella energiakaivokenttään, josta lämpöä sitten pumpataan (ainakin osin) ilman lämpöpumppua suoraan käytettäväksi (linkki). Tuli mieleeni toinen lähestymistapa aurinkolämmitteisen asuinalueen lämmön kausivarastoimiseen: mitäs jos
- asuinalueelta kaavitaan eloperäinen aines pois
- asennetaan lämmönsiirtoputkipiirit yhdysputkineen
- rakennetaan sadevesien käsittelyjärjestelmä
- eristetään maa muovieristeellä tai vaihtoehtoisesti vaahtolasimurkseella, jolloin eriste voi toimia sadevesien imeytysaltaana, mikä tosin voi olla haasteellista kun lämmön ei haluta menevän sadeveden mukana
- valetaan betonikansi, joka toimii rakennustusten ja piharakenteiden perustuksena?
Etuja:
- maa ei mene koskaan routaan, joten maan routimiseen ei tarvitse varautua ja riittävät kevyemmät perustukset (eli em. kansilaatta)
- ei tarvita kalliita energiakaivoja tai energiapaaluja
Edullista energiaa varastoitavaksi saataisiin peittämällä rakennusten katot aurinkokeräimillä ja aurinkopaneeleilla sekä lämmittämällä maaputkistossa kiertävää vettä sähköllä edullisimpina tunteina (lämmityskaudella). Vielä ei kaupoista löydy tarpeeksi edullisia aurinkokeräimiä, jotta tma:an saisi järjelliseksi, mutta mitään isoa edistysaskelta ei tarvittaisi, vain riittävän suuria keräimiä järkevään hintaan siten, että säästö nykykeräimiin nähden tulisi pienemmistä asennuskustannuksista ja materiaalisäästöistä kun keräimet olisivat osa vesikattoa.

 

[viivelinja]

Kuinkakohan suuri lämpöhukka kyseisessä toteutustavassa olisi? Olisiko tuo siis eristetty myös ympäriltä, muttei kuitenkaan alta? Sade ja muitakaan vesiä ei kannata päästää virtaamaan varaajan massassa, koska ne vievät kuitenkin massiivisia määriä energiaa mukanaan.

5*5*3 kokoinen kellaritila, mikä olisi täynnä vettä, olisi tilavuudeltaan 75 m³. Veden suuren ominaislämpökapasiteetin, etenkin massaan verratessa vuoksi tuon energiakapasiteetti olisi nollasta sataan lämmitetyllä vedellä 8,7 MWh. Kohtuullisen paksulla ja lämmönkestävällä polyuretaanilla/polystyreenillä, jos sellaista on edes saatavilla, päästään helposti alle 0,1 U-arvoon, millä häviöt ympäristöön jäisivät kohtuullisiksi. 110 neliön pinta-alallaan tuo haihduttaisi siis 1100 W teholla lämpöä, kun lämpötilaero olisi 100 astetta, mutta ympäroivä maaperä vielä lisää lämpöresistanssia ympäristöön. Ja osa tietysti menee "katon" läpi rakennuksen lämmitykseen. Puoli metriä mineraalivillaa on U-arvoltaan noin 0,07. Mitäköhän tuollainen varaaja tulisi maksamaan, seinämät joutunee tekemään teräslevystä...

Maa-aineksen lämpökapasiteetti ei ole veden veroinen, vaikka maa painaakin enemmän tilavuusyksikköä kohden, ja häviöt mietityttää. Tietysti varsinkin näissä isoissa varaajissa maan/kallioperän "ilmaisuus" houkuttelee.

 

[Savonius]

Niin, tuollainen 1100W tarkoittaisi 24Kwh vuorokaudessa plus muut häviöt päälle. Kun tavoitteena olisi ilman lämpöpumpua toimiva niin nesteen käyttökelpoinen alaraja olisi viidenkympin tietämissä. lattialämmityskäytössä vähän alempi.

 

[virtuaaliharri]

Kuinkakohan suuri lämpöhukka kyseisessä toteutustavassa olisi? Olisiko tuo siis eristetty myös ympäriltä, muttei kuitenkaan alta? Sade ja muitakaan vesiä ei kannata päästää virtaamaan varaajan massassa, koska ne vievät kuitenkin massiivisia määriä energiaa mukanaan.

Mielessäni oli ihan asuinalue-suuruusluokka eli mahdollisesti muutaman hehtaarin laajuinen betonikansi lämpöeristeellä. Vaikka lämpö dumpattaisiin suoraan maan pintakerrokseen (kannen tai eristeen alle), niin ajan kanssa maa lämpenisi syvälle. Käytännössä kyseeseen tulisi lähinnä märkä savipelto. Varmaan reunoillekin kannattaisi lämpöeristys laittaa muutaman metrin syvyyteen asti, syvemmällä riittäisi maan eristävä vaikutus. Eristekerrosta voitaisiin käyttää samalla keventeenä, joten 500 mm normaali EPS/XPS-lohko voisi soveltua tarkoitukseen. Tuon läpi ei kovinkaan kaksinen energiavuo käy. Varmaankin käyttöveden lämmittämiseen kannattaisi järjestelmässä käyttää lämpöpumppua joka hyödyntäisi kausivaraajan reunoilta karkaavaa lämpöä ja mahdollisesti laatan alta nousevasta höyrystä saatavaa lämpöä (sikäli kuin maaperästä lämmön ansiosta irtoavia kaasuja joudutaan laatan alta päästämään hallitusti, jotteivat karkaisi reunoilta hallitsemattomasti).
En mitään laskelmia ole tuon suhteen tehnyt vaan lähdin vain siitä toteamuksesta että Kanadassa homma toimii energiakaivojen kera, joten voisikohan toimia myös vaakapiireillä. Onhan tuossa toki haasteita, kt. esimerkiksi edullisen muoviputken huono lämmönkesto. Kenties energiansiirtoputkipiirit voitaisiin valaa kansilaattaan, jolloin voitaisiin käyttää kuumempaa vettä sietävää muovipinnoitettua kupariputkea ja hyödyntää betonin savea parempaa lämmönjohtavuutta. Tämä toki edellyttäisi lämmöneristeen sijoittamista betonikannen päälle, mistä taasen seuraisi omat haasteensa - lähteekö kansilaatta painumaan työntäen savea sivuille?

 

[korsteeni]

Minä en oikein ymmärrä/osaa hahmottaa noita lämmön maahan varastointeteja, tiedon tai järjen puutetta kait, mutta ihan käytännössä kun minun panelit 32 kpl tuottaa näin kesällä täysaurinkopäivinä huiput noin 60kWh ja tässä kuussa yli 40kWh/vrk , nyt sitten ollut viikon pilvistä kylmää sateista niin 4m³ pytty alkaa olla tyhjillään. Jos olisin tuon ylijäämän työtänyt varaajan sijasta peruslkallioon, mitä sieltä olisi mulle tarjota?...heh, epäilen että ei mitään.

 

[Savonius]

Kyllä se lämpö siellä maassa on ja pysyy jos ei pois oteta. Lataamineen vienee muutaman vuoden. Sen lopun joka on alle käyttölämpötilan voi hyödyntää maalämpöpumpulla.

 

[virtuaaliharri]

En ole törmännyt kausivaraajatoteutuksiin, jotka olisivat toimineet pienessä mittakaavassa siten, että niillä olisi talo saatu pidettyä lämmöissä läpi vuoden (vähän etelämpänäkään). Netissä olen törmännyt kokeilutaloihin, joissa on ollut yhden kerroksen kokoisia kivimassavaraajia, vaan ei ole niidenkään kapasiteetti riittänyt ja/tai on sitten muuta ongelmaa ilmennyt. Suomessakin on tietääkseni jokunen pientalo rakennettu kausivaraajalla, vaan eipä niistä ole sittemmin kuulunut mitään. Toimivat kausivaraajat taitavat kaikki olla niin isoja että maa riittää lämmöneristeeksi. Itselleni on muodustunut mielikuva että joku 5-10 metriä maata varsinaisen kausivaraajamassan ympärillä toimisi riittävänä eristeenä. Yksittäinen energiakaivo toimii huonosti energiavarastona kun pelkän "eristeen" lämmittämiseen häipyy se teho mikä maahan saadaan tuupattua. Missä kannattavuusraja sitten menee massiivisen energiakaivokentän ja yksittäisen energiakaivon välissä, ei mulla ole tietoa. Ilmeisesti omakotitalon pohja-ala ei vielä riitä, vaan paaluja pitäisi saada vähintään muutaman metrin etäisyydelle talosta, lähinnä kaappaamaan karkaavaa lämpöä. Tämä taas tulisi kalliiksi kun jo pelkkä talon paaluttaminen savimaahan on tyyristä. Siksi olen tuota vaakapiiriä yläpuolelta lämpöeristettynä tuonut esiin eri yhteyksissä eri muodoissa, josko toimisi radikaalisti halvempana vaihtoehtona.

 

[Savonius]

Jos ajateltaisiin helpommalla tätä kallioon varastointia. Tehdään siis reikä maahan johonkin syvyyteen. Tuodaan lämpöä lähelle reiän pohjaa ja varmistetaan lämmön siirtyminen ympäröivään maa-ainekseen. Normaalisti reikä täyttyy vedellä. Miten siitä edetään on hakusessa.
Lähtökohtana on että maahan syötetty lämpö on jossain siinä porauksen ympärillä tavalla tai toisella hyödynnettävissä.

 

[Helkoo]

Turun toriparkki
"Vuonna 2018 Työ- ja elinkeinoministeriö päätti myöntää 1,3 miljoonan euron investointiavustuksen aurinkoenergiaa varaavan akun rakentamiseksi torin alle. Savimaan on tarkoitus toimia akkuna, johon torikivetyksen keräämä aurinkolämpö varastoidaan."

 

[viivelinja]

Niin, tuollainen 1100W tarkoittaisi 24Kwh vuorokaudessa plus muut häviöt päälle. Kun tavoitteena olisi ilman lämpöpumpua toimiva niin nesteen käyttökelpoinen alaraja olisi viidenkympin tietämissä. lattialämmityskäytössä vähän alempi.

Kyllähän tuo jonkun lämpöpumpun vaatisi, että käyttöäste saataisiin järkevämmäksi. Matalalla lämpötilaerolla toimivan lämpöpumpun COP on onneksi erittäin hyvä, mutta sellaiseen tarkoitukseen ei taida olla laitteistoja saatavilla. Lämmityskierron veden lämpö täytyisi pitää mahdollisimman matalana.

Jos häviöt varaajassa olisivat jatkuvasti 1,1 kW, olisi se tyhjä vasta lähed vuoden kuluttua. Todellisuudessa ympäröivä maamassa, ja varaajan sisällön lämpötilan laskeminen varaajaa purettaessa vähentää häviöitä. Kuinka pitkälle varaaja riittäisi, sen voisi laskea kun otetaan enemmän muuttujia huomioon.

Lämpöhäviöt ovat kuitenkin kaikissa pienissä termisissä kausivaraajissa merkittävät (verrattuna termokemialliseen).

 

[Savonius]

Askarruttaa tuossa Turun projektissa höyryn paine kun sitä savea lämmitetään. Miten ja minne se purkautuu.

 

[borg]

Höyry siirtyy savessa sen matkaa, että se tavoittaa kylmemmän saven > kondensoituu ja vapauttaa lämpöenergiaa. Paine ei kai lisäänny, koska tuo kondensoituminen on mahdollista.

 

[virtuaaliharri]

Jos ajateltaisiin helpommalla tätä kallioon varastointia. Tehdään siis reikä maahan johonkin syvyyteen. Tuodaan lämpöä lähelle reiän pohjaa ja varmistetaan lämmön siirtyminen ympäröivään maa-ainekseen. Normaalisti reikä täyttyy vedellä. Miten siitä edetään on hakusessa.
Lähtökohtana on että maahan syötetty lämpö on jossain siinä porauksen ympärillä tavalla tai toisella hyödynnettävissä.

Mikäli yksittäisen reiän alaosan kautta suoritetaan kaikki lämmön maahan dumppaaminen tarvitaan suuri lämpötilaero ympäröivän maan ja lämmön dumppauselimen (esim. muovipinnoitettu kuparispiraali betoniin valettuna) välillä, jotta lämpövirta saadaan järjelliseksi - energiakaivothan on niin syviä kuin ovat sen takia että yhdeltä kaivometriltä irtoaa pidemmän päälle tehoa vain muutamia kymmeniä watteja. Tällöin muodostuu ongelmaksi aurinkokeräimien huono hyötysuhde lämmönsiirtonesteen lämmön nousun myötä. Käytännössä energiakaivon alaosan kautta dumppaaminen vaatisi toisessa ketjussa ehdotettua lämmitysvastuksen käyttöä ja useamman sadan asteen lämpötilaa; tämä puolestaan aurinkopaneelien käyttöä, jolloin hyötysuhde jää heikommaksi, jolloin kattopinnalta ei saada yhtä paljoa energiaa kuin aurinkokeräimien avulla. Toki aurinkopaneelien sähköä voisi hyödyntää muuhunkin kulutukseen ja paneelit ovat huomattavasti (nykyisiä) keräimiä edullisempia.
Maahan varastoituneen lämmön hyödyntäminen voisi onnistua vastussylinterin yläpuoliseen kaivon osaan sijoitetun koaksiaalityyppisen keruuputken kautta, riippuen toki tarvittavista lämpötehoista ja siitä paljonko energiaa on saatu missäkin lämpötilassa ympäröiviin massoihin talteen. Varmempaa ehkä olisi kuitenkin porata ympärille purkua varten omat energiakaivonsa ottamaan vastaan "karkaavaa" lämpöä.

 

[virtuaaliharri]

Kyllähän tuo jonkun lämpöpumpun vaatisi, että käyttöäste saataisiin järkevämmäksi. Matalalla lämpötilaerolla toimivan lämpöpumpun COP on onneksi erittäin hyvä, mutta sellaiseen tarkoitukseen ei taida olla laitteistoja saatavilla. Lämmityskierron veden lämpö täytyisi pitää mahdollisimman matalana.

Uima-altaan lämmitykseen tarkoitetut ilmalämpöpumput saattaisivat olla hyviä aihioita tuollaiseen projektiin. Ovat muuten jostain syystä huomattavasti halvempia kuin vastaavan nimellistehon tarjoavat VILPit vaikka noissa kaiketi käytetään usein titaanista valmistettuja lämmönvaihtimia.

 

[virtuaaliharri]

Höyry siirtyy savessa sen matkaa, että se tavoittaa kylmemmän saven > kondensoituu ja vapauttaa lämpöenergiaa. Paine ei kai lisäänny, koska tuo kondensoituminen on mahdollista.

Tosiaan, tuossa tapauksessa aloituksessa esittämäni betonikantinen kausivaraaja voitaisiin eristää reunoiltaan vaahtolasimurskeella täytetyllä kaivannolla, jossa höyry kondensoituisi ja valuisi takaisin maahan.

 

[Savonius]

Niin, ajattelin että sinne alas laitetaan 3x2Kw tai 3x3Kw vastus ja valetaan porauksen alapää umpeen parin metrin matkalta.

 

[Savonius]

Höyry siirtyy savessa sen matkaa, että se tavoittaa kylmemmän saven > kondensoituu ja vapauttaa lämpöenergiaa. Paine ei kai lisäänny, koska tuo kondensoituminen on mahdollista.

Olen eri mieltä. Jos maan lämpötila betonilaatan alla nousee tietää se automaattisesti korkeampaa höyrynpainetta.

 

[virtuaaliharri]

Niin, ajattelin että sinne alas laitetaan 3x2Kw tai 3x3Kw vastus ja valetaan porauksen alapää umpeen parin metrin matkalta.

115 mm halkaisijaisen ja 2 m korkean lieriön kokonaispinta-ala on 0,743 m², joten tuo tarkoittaisi 8 tai 12 kW/m² tehoa, jolla lämpöä dumpattaisiin ympäröiviin massoihin. Riittänee hyvinkin kehittämään höyryä siinä lieriön yläpinnassa olettaen että siitä ylöspäin reikä olisi täynnä vettä. Lämpö nousisi enimmäkseen ylös ja vesipatsas lämpenisi kuumaksi ja pikkuhiljaa kallio lämpenisi ehkä 5-10 metriä betonimöykyn alapinnasta alaspäin ja ylöspäin aina alapohjan lämpöeristeisiin asti (jos kaivo olisi talon alla). Kuinka pitkälle energiakaivosta lämpö sivusuunnassa etenisi, en oikein osaa arvioida; mutta jos energiakaivon ympärillä ei ole muita kaivoja keskikaivosta karkaavaa lämpöä talteenottamassa, tuskin yli 10 m etäisyydellä kaivosta oleva lämpö enää takaisin päin virtaisi ja tässäkin tapauksessa lämpöpumppua tarvittaisiin ainakin varsinaisella lämmityskaudella, jotta saadaan käyttökelpoisen lämmintä kiertovettä. Kesällä vesi kaivossa voisi olla sen verran lämmintä että maalämpöpumpun ja kaivoveden tarvittaisiin jonkinlainen järjestelmä joka varmistaisi ettei lämpöpumpulle mene missään vaiheessa liian kuumaa vettä. Tämä siis omana maallikkoarviona.

 

[viivelinja]

Olen eri mieltä. Jos maan lämpötila betonilaatan alla nousee tietää se automaattisesti korkeampaa höyrynpainetta.

Jos miettii vaikka 80 asteista vettä sisältävää tiivistä kattilaa, on siellä veden höyrynpaine ale ilmanpaineen, koska vesi saavuttaa sen vasta sadan celsiusasteen kohdalla. Tämä siis tietysti jos kattilassa on pelkkää vesihöyryä, jolloin se yksin osapaineellaan vastaa kattilan sisäisestä paineesta. Kansi ei tarvitse olla kiinni mitenkään, ilmanpaine länttää sen tiukasti vasten kattilan reunoja. Vastaavasta ilmiöistä taiko energiaa aikanaan ensimmäinen höyrykonetyyppi, Newcomenin höyrykone. Siinä noin sata-asteista höyryä jäähdytettiin vesisuihkulla sylinterin sisällä, jolloin ilmanpaine painoi mäntää alaspäin höyryn puristuessa ja kondensoituessa.

Jos savi on riittävän tiivistä, ilmanpaine, laatan paine ja maamassan paine riittää pitämään suurimmat höyryt maassa. Tällöin energiaa ei karkaisi liikaa höyrystymislämmön mukana eikö siirtyisi tiivistymisen kautta varaajan ulkopuolelle. Käytännössä saven kuivumista tietysti tapahtuu ainakin jonkin verran, mutta onko se liikaa?

 

[viivelinja]

Mielessäni oli ihan asuinalue-suuruusluokka eli mahdollisesti muutaman hehtaarin laajuinen betonikansi lämpöeristeellä. Vaikka lämpö dumpattaisiin suoraan maan pintakerrokseen (kannen tai eristeen alle), niin ajan kanssa maa lämpenisi syvälle. Käytännössä kyseeseen tulisi lähinnä märkä savipelto. Varmaan reunoillekin kannattaisi lämpöeristys laittaa muutaman metrin syvyyteen asti, syvemmällä riittäisi maan eristävä vaikutus. Eristekerrosta voitaisiin käyttää samalla keventeenä, joten 500 mm normaali EPS/XPS-lohko voisi soveltua tarkoitukseen. Tuon läpi ei kovinkaan kaksinen energiavuo käy. Varmaankin käyttöveden lämmittämiseen kannattaisi järjestelmässä käyttää lämpöpumppua joka hyödyntäisi kausivaraajan reunoilta karkaavaa lämpöä ja mahdollisesti laatan alta nousevasta höyrystä saatavaa lämpöä (sikäli kuin maaperästä lämmön ansiosta irtoavia kaasuja joudutaan laatan alta päästämään hallitusti, jotteivat karkaisi reunoilta hallitsemattomasti).
En mitään laskelmia ole tuon suhteen tehnyt vaan lähdin vain siitä toteamuksesta että Kanadassa homma toimii energiakaivojen kera, joten voisikohan toimia myös vaakapiireillä. Onhan tuossa toki haasteita, kt. esimerkiksi edullisen muoviputken huono lämmönkesto. Kenties energiansiirtoputkipiirit voitaisiin valaa kansilaattaan, jolloin voitaisiin käyttää kuumempaa vettä sietävää muovipinnoitettua kupariputkea ja hyödyntää betonin savea parempaa lämmönjohtavuutta. Tämä toki edellyttäisi lämmöneristeen sijoittamista betonikannen päälle, mistä taasen seuraisi omat haasteensa - lähteekö kansilaatta painumaan työntäen savea sivuille?

Jotenkn epäilän tällaista litteää varaajaa, alkaako lämpö katoamaan liiaksi ympäristöön tai maaperään suuren pinta-alan takia...

Pohjavedet ja vesihöyryn karkaaminen savimaan kuivuessa voivat olla myös suuria häviöiden aiheuttajia.