Maalämpö
Maalämpö on maaperän tai veden massaan varastoitunutta uusiutuvaa lähes kokonaan aurinko- ja vähäisesti geotermista lämpöenergiaa. Maaperä säilyttää sijainnin keskimääräisen vuotuisen lämpötilan parin-muutaman metrin syvyydessä, ja talvella maaperä on huomattavasti lämpimämpää kuin ulkoilma. Maalämpöjärjestelmällä lämpöenergiaa voidaan käyttää rakennusten ja käyttöveden ja sisäilman lämmittämiseen. Maalämpö soveltuu kaikenlaisiin rakennuksiin. Maalämpö on kaukolämpöä edullisempaa elinkaaren aikana.
Vuonna 1853 lordi Kelvin hahmotteli lämpöpumpun ja vuonna 1855 Peter Ritter von Rittinger kehitteli sen. Tehtyään kokeita pakastimella, Robert C. Webber rakensi ensimmäisen suoran vaihdon maalämpöpumpun 1940-luvun lopulla. Vuonna 1948 ensimmäinen kaupallisesti onnistunut projekti asennettiin Commonwealth Building -rakennukseen Portlandissa, Oregonissa. 1970-luvulla teknologiasta tuli suosittua Ruotsissa, ja siitä lähtien suosio on kasvanut hitaasti maailmanlaajuisesti. Avoimen kierron järjestelmät hallitsivat markkinoita, kunnes vuonna 1979 polybuteeniputken kehitys teki suljetun kierron järjestelmistä taloudellisesti kilpailukykyisiä. Vuoteen 2004 mennessä oli asennettu yli miljoona yksikköä maailmanlaajuisesti tuottaen 12 gigawattia lämpökapasiteettia. Joka vuosi noin 80 000 yksikköä asennettaan Yhdysvalloissa ja 27 000 Ruotsissa. Vuosina 2006–2011 Suomessa maalämpöpumppu oli yleisin valinta uusien pientalojen lämmitysjärjestelmäksi markkinaosuuden ylittäessä 40 %.
Auringon säteilyn tuottama maalämpö ulottuu Suomessa enintään 15 metrin syvyyteen. Suomessa käytetyistä porakaivoista saatava lämpö on alkuperältään pääosin geotermistä lämpöenergiaa. Suomessa geoterminen lämpö tuottaa 6–10 asteen lämpötilan jo 200 metrin syvyydessä, riippuen kallioperän laadusta. GTK on suorittanut kattavia mittauksia Suomen kallioperästä jo vuosikymmeniä. Kallioperään keruuputkisto asennetaan pystysuoraan porattuun porareikään "lämpökaivoksi". Porareiän lämpöä keräävä tehollinen mitta on se syvyys johon pohjavesi yltää. Ratkaisu on nykyisin yleinen, vaikka sen rakennuskustannukset ovat suurempia kuin vaakasuoraan asennettavilla keruupiireillä. Lämpökaivon etuja vaakapiireihin verrattuna ovat lähes kaksinkertainen energiansaanti putkimetriä kohti ja vähäinen tarvittava pinta-ala, routimattomuus ja helppo ilmattavuus.
Maaperään vaakasuoraan asennettava putkisto sopii suurille tonteille. Putkisto ei haittaa puutarhanhoitoa tai tontin istutuksia. Soraharjuja lukuun ottamatta lähes kaikki maalajit soveltuvat vaakaputkistolle. Maaperän kosteuspitoisuus ja lämmönjohtavuus ovat merkittäviä tekijöitä piiriä mitoitettaessa.
Mereen, järveen tai lampeen asennettava putkisto kiinnitetään pohjaan vähintään kolmen metrin syvyyteen. Vesistö ei mielellään kuitenkaan ole virtaava joki. Hankkeelle on saatava vesialueen omistajan lupa.
Lämpöpumpun kompressorin avulla maaperästä saatu vähäinen lämpöenergia puristetaan kuumemmaksi ja siirretään lämmitysjärjestelmään ja lämpimään käyttöveteen. Maalämpö on uusiutuvaa energiaa, jota voidaan tuottaa taloudellisesti kannattavasti hajautetusti rakennuskohtaisissa yksiköissä. Järjestelmä on kuitenkin sitä kannattavampi mitä suurempi rakennus ja energiankulutus ovat.
Lämmönkeruupiiri on pintamaahan, peruskallioon tai veteen sijoitettava putkisto, jonka sisällä kiertävää nestettä ympäröivä maaperä lämmittää. Nesteenä putkistossa käytetään bioetanolin (CHOH) ja veden seosta, jossa on alkoholia noin 34 prosenttia ja jonka jäätymispiste on -17 °C. Kiertäessään putkistossa neste (eli maaliuos) kerää lämpöenergiaa ympäröivästä maa-aineksesta.
Lämmönkeruupiiri on pintamaahan, peruskallioon tai veteen sijoitettava putkisto. Ympäröivä maaperä lämmittää putkiston sisällä kiertävää nestettä. Nesteenä putkistossa käytetään bioetanolin (CHOH) ja veden seosta, jossa on alkoholia noin 34 prosenttia ja jonka jäätymispiste on -17 °C. Kiertäessään putkistossa neste (eli maaliuos) kerää lämpöenergiaa ympäröivästä maa-aineksesta.
Lämmönkeruuputkistossa kiertävän maaliuoksen lämpötila on liian matala, jotta sitä suoraan voitaisiin käyttää huoneiston tai käyttöveden lämmitykseen. Sitä varten järjestelmään tarvitaan lämpöpumppu, joka pumppaa lämpöä maaliuoksesta lämpövaraajaan. Samalla maaliuos jäähtyy ja se ohjataan suljetussa kierrossa takaisin maapiiriin, jossa se maalämmön vaikutuksesta uudestaan lämpenee ja kiertää takaisin lämpöpumpulle.
Esimerkki: Porakaivon syvyys on 200 metriä. Pohjavesi täyttää porakaivosta 180 metriä. Lämpö kerätään 20 metrin säteeltä, jolloin ympyrän pinta-alaksi tulee noin 1 200 neliömetriä. Lieriön tilavuus on 216 000 kuutiometriä. Lämmityskauden aikana lieriön lämpötila laskee yhdellä asteella. Kallion ominaislämpökapasiteetti on 1 950 KJ/m/K. Kalliosta saatu energia: 1 950 x 216 000 = 421 200 000 kilojoulea = 117 000 kilowattituntia.
Suurimmassa osassa nykyaikaisia laitteita hyötysuhdetta on parannettu vaihtuvalla lauhdutuksella, jossa maalämpöpumppu lämmittää vuorotellen lämmitysjärjestelmää ja varaajaa samalla varmistaen, että käyttöveden lämpötila pysyy tarvittavan korkealla ja että lauhdutus myös lämmitysverkostoon tapahtuu mahdollisimman alhaisella lämpötilalla hyötysuhteen parantamiseksi.
Vaihtuvaa lauhtumista ohjataan ulkolämpötila-anturin antaman tiedon avulla tai käyttöveden lämpötilan mukaan. Lämpöä ei varastoida varaajaan, jolloin hyötysuhde heikkenisi, vaan se siirretään suoraan lattialämmityspiiriin. Tällä tekniikalla lauhdutuslämpötila pidetään aina sopivassa lämpötilassa, jolloin hyötysuhde on aina paras mahdollinen.
Lämpimänä aikana, kun energiaa ei tarvita kiinteistön lämmitykseen, lämpöpumppujen kokonaishyötysuhde laskee, koska kaikki teho käytetään käyttöveden lämmitykseen.
Tulistinpumpuissa ongelmana on energian varastointi, jolloin joudutaan tekemään todellista tarvetta korkeampaa lämpötilaa, jotta varastosta voidaan shuntata talon lämmitykseen tarvittavaa lämpötilaa. Varauksin etuna voidaan toisaalta pitää lämmityskaudella edullisempaa käyttöveden tekoa, tosin silloin kompressorin teho tulee mitoittaa reilusti osatehoiseksi noin 40–60 % tarvittavasta lämmitystehosta. Tämä selviää TTKK:n professori Antero Aittomäen "Raket" tutkimuksesta.
Vaihtuvalauhdutteinen pumppu voidaan mitoittaa kattamaan koko tarvittavan tehon eli täysitehoiseksi, koska koko lattian massa toimii varaajana.
Parhaimmalla hyötysuhteella lämpöpumppu toimii alhaisten lämpötilojen lämmönjakojärjestelmillä, vesikiertoisen lattialämmityksen tai ilmalämmityksen kanssa. Myös radiaattori- eli "lämpöpatteriverkosto" on mahdollinen, sillä laitteistolla saadaan ilman sähkövastusta tehtyä n. 58–65 °C vettä. Maalämpö soveltuu patterilämmitystaloon, mutta lattialämmitystalossa maalämmön hyötysuhde on parempi matalamman menoveden lämpötilan takia.
Lämmönkeruupiiri mahdollistaa kesäaikaisen kiinteistön tuloilman jäähdytyksen. Maapiiriin voidaan sijoittaa viilennyspatteri, jonka läpi tuloilma kulkee jäähtyen. Puhutaan ns. ilmaiskylmästä, sillä esimerkiksi neljän kilowatin tehoinen ilmalämpöpumpun sisäyksikön näköinen laite kuluttaa energiaa noin 100 W, kun vastaavan tehoinen ilmalämpöpumppu kuluttaisi energiaa noin 2 kW. Maaliuos johtaa tuloilmasta poistuneen liikalämmön maaperään tai se hyödyttää kuuman käyttöveden valmistusta.
Maalämpöjärjestelmien myyntimäärät ovat kasvaneet lähes viisinkertaiseksi muutamassa vuodessa lähinnä kallistuneen lämmitysöljyn takia. Vuonna 2006 arvioitiin Suomessa myydyksi 4 500 uutta maalämpöjärjestelmää. Asennettuja järjestelmiä Suomessa on yhteensä 50 000, Ruotsissa puolisen miljoonaa. Norjassa lämpöpumppuja on asennettu jopa 70 000 kappaletta vuodessa.
Maalämpö on edullisempaa kuin kaukolämpö elinkaaren aikana. Lisäksi maalämpöpumpulla kyetään myös jäähdyttämään, mikä ei edellytä erillistä kaukojäähdytysverkostoa. Viime vuosien tekninen kehitys näyttää asettavan uusia haasteita maalämpöpumppujärjestelmille: puhtaalla ympäristöystävällisellä kylmäaineella (CO) toimivat ilma-vesilämpöpumput ovat tulleet markkinoille ja ne soveltuvat samoihin tehtäviin kuin maalämpöpumput. Laitteiden etuna on myös ulkoyksikön pienempi koko ja yksinkertainen asennus, koska lämpöä imetään ulkoilmasta yhdestä pisteestä eikä järeää perusputkistoa maaperään tarvita.