Maalämpö

Maalämpö on lämpöpumppuun perustuva lämmitysjärjestelmä, joka hyödyntää maaperään tai veteen varastoitunutta lämpöenergiaa.  Maahan varastoitunut lämpöenergia viedään sisätiloihin maahan porattuihin syviin energiakaivoihin (pystykeruu) tai routarajan alla sijaitsevaan maahan asennettujen taikka järven tai merenpohjaan upotettujen letkujen (vaakakeruu) avulla. 

Lämpöpumppu saa letkujen sisällä olevan veden ja etanolin seoksen virtaamaan sisätiloissa  sijaitsevaan lämmönvaihtimeen, joka siirtää vesiliuoksen sisältämän lämmön rakennuksen lämmitysjärjestelmään. 

Lämpöpumppu käyttää sähköä lämmön siirtämiseksi maaperästä lämmitettävään kohteeseen, ja sillä saadaan tuotettua pumpun kuluttamaa sähköenergiaa suurempi lämpömäärä. Maalämpö on siten suoraa sähkölämmitystä energiatehokkaampi lämmitystapa.  

Maalämmön hyötysuhde on sitä parempi, mitä haaleammalla vedellä se toimii. Lattialämmityksen ja hyvin lämpöeristetyn talon yhdistelmässä voidaan käyttää 30-asteista vettä, jolloin sähköä kuluu vain 25 prosenttia verrattuna suoraan sähkölämmitykseen.  

Maalämpö lasketaan uusiutuvaksi energiaksi. Jos lämpökaivo mitoitetaan liian matalaksi, kaivossa oleva vesi alkaa kuitenkin viiletä, jolloin siitä saa vuosi vuodelta vähemmän lämpöä. Kaivon viilenemistä voidaan hidastaa asentamalla katolle aurinkokeräimiä, joiden tuottamaa lämpöenergiaa siirretään kesällä lämpökaivoon. Myös rakennuksen viilentäminen kesäisin siirtämällä sisäilmasta kerättyä lämpöä energiakaivoon parantaa kaivon lämpötasapainoa.

Maalämmön etuna muihin lämpöpumppujärjestelmiin nähden on se, että suuren massansa takia maaperä pysyy tasalämpöisenä ympäri vuoden, ja verrattuna esimerkiksi ilmalämpöpumppuun maalämpö toimii kovillakin pakkasilla ongelmitta. Routarajan alapuolelle asennetut lämpökeräimet ottavat talteen kesäisin maankuoreen varastoitunutta auringon lämpöä. Kallioperään poratuista energiakaivoista saadaan maan sisuksista peräisin olevaa geotermistä lämpöä.

Lämpöpumpun toiminta 
Lämpöpumppu toimii samalla periaatteella kuin jääkaappi tai pakastin, mutta sitä käytetään eri tavalla. Järjestelmä toimii kumpaan suuntaan tahansa: viilennystarpeen ilmaantuessa sisätiloissa voidaan lämpöä ohjata maaperään. Kesäaikaan maahan sidottu lämpö lisää järjestelmän kapasiteettia talviaikaan, eli viilennystarpeen vaihtuessa lämmitystarpeeksi on maaperällä enemmän varaa jäähtyä. Myös erillisistä lämmitysveden aurinkokeräimistä voidaan siirtää ylijäämälämpöä maaperään, jolloin järjestelmän tehosuhdetta pystytään kasvattamaan vielä lisääkin.

Historia 
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. 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 %.

Maalämpöjärjestelmä 
Maalämpöjärjestelmän putkisto on useimmiten asennettu kallioon porattuun kaivoon syvyyssuunnassa, mutta myös vaakatasoon routarajan alapuolelle kaivettu tai järven pohjalle sijoitettava lämmönkeruuputkisto on mahdollinen. Nesteenä putkistossa käytetään esimerkiksi bioetanolin (C2H5OH) ja veden seosta. Vaakatasossa toteutetun järjestelmän viilennysvaikutus pihapuutarhaan tulee ottaa huomioon suunnittelussa. Järjestelmän toinen osa on sisätiloissa sijaitseva laiteyksikkö, joka sisältää varsinaisen lämpöpumpputekniikan. Sisäyksikköä hyödynnetään lämmitysjärjestelmän lisäksi lämpimän käyttöveden valmistamiseen. Sisäyksikkö on kokoluokaltaan isoa jääkaappia vastaava laitos ja se sijoitetaan tyypillisesti kiinteistön tekniseen tilaan.

Lämmön jakelu 

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.

Maalämmön soveltuvuus
Maalämpö sopii varsinkin rakennuksiin, joissa on suuri energiankulutus, koska silloin se on kannattavin. Sellaisia rakennuksia ovat esim. liike- ja teollisuusrakennukset sekä rivi- ja kerrostaloyhtiöt. Maalämpö on suosittu ratkaisu myös omakotitaloissa vaivattomuutensa vuoksi, suurten hankintakustannusten ollessa suurimpana rajoittavana tekijänä. Maalämpöjärjestelmä mitoitetaan tapauskohtaisesti, sillä lämpöpumpun koko ja porakaivon syvyys riippuvat rakennuksen energiantarpeista. Porakaivon toteutus ei aina ole mahdollista, ja myös mahdolliset luvat esimerkiksi pohjavesialueella tulee selvittää. Järjestelmän alimitoitus on yleisin syy ongelmille, ja tämän välttäminen edellyttää vastuullisuutta myyjän taholta, mutta myös harkintaa ja valistuneisuutta ostajalta.

Yleensä suuremmat kiinteistöt tarvitsevat useamman kaivon ja maalämpöpumpun muodostaman pumppukeskuksen optimaaliseen toimivuuteen.

Ympäristövaikutukset

Lämpökaivo jäähdyttää kallioperää noin 100 metrin säteellä ympäriltään. Maalämmön maaperää viilentävä vaikutus saattaa aiheuttaa puille juuristovaurioita. Pohjaveden lämpötila laskee parilla asteella alueilla, jossa maalämpöpumpulla lämmitetään vuodessa enemmän kuin viilennetään.

Maalämmön myynti ja markkinat 

Maalämpöjärjestelmien myyntimäärät kasvoivat 2000- ja 2010-luvuilla moninkertaisiksi lähinnä kallistuneen lämmitysöljyn takia. Norjassa lämpöpumppuja on asennettu jopa 70 000 kappaletta vuodessa. Markkinoilla esiintyy runsaasti virheellisiä väittämiä ja mielikuvia koskien maalämpöä, lähinnä antaen ymmärtää että kyse olisi energialähteestä, vaikka kyse on pelkästään energian kuluttamisesta - tosin erittäin hyvällä hyötysuhteella. Maalämpö siis vaatii sähköä toimiakseen, ja loppuviimeksi sen ympäristöystävällisyys tai käytetyn energian uusiutuvuus on kiinni siitä, miten maalämmön kuluttama sähkö on tuotettu.

Maalämmön tulevaisuus ja vaihtoehdot 
Maalämpö on erään tutkimuksen mukaan edullisempaa kuin kaukolämpö elinkaarensa aikana. Lisäksi maalämpöpumpulla kyetään myös jäähdyttämään, mikä ei edellytä erillistä kaukojäähdytysverkostoa. Ratkaisut kulkevat kuitenkin myös rinnakkain, maalämpöä hyödynnetään niinikään kaukolämmön tuotannossa, ja muitakin mahdollisuuksia tutkitaan ahkerasti.

Viime vuosien tekninen kehitys näyttää asettavan uusia haasteita maalämpöpumppujärjestelmille: puhtaalla ympäristöystävällisellä kylmäaineella (CO2) toimivat ilma-vesilämpöpumput ovat tulleet markkinoille, ja ne soveltuvat osin samoihin tehtäviin kuin maalämpöpumput. Laitteiden etuna on myös ulkoyksikön pienempi koko ja yksinkertainen asennus, koska jäähdytys tapahtuu ulkoilmaan eikä järeää perusputkistoa maaperään tarvita. Niiden rajoitteena on kuitenkin toiminta kovilla pakkasilla, kuten perinteisilläkin ilmalämpöpumpuilla.

Maalämmön ja vastaavien lämpöpumppujärjestelmien käyttö on kannattavimmillaan, jos samalla saadaan hyödynnettyä hukkalämpöä jostain muualta. Myöskin viilennyksen tarve esimerkiksi elintarvikeliikkeissä ja kylmävarastoissa on perinteisesti lämmitetty harakoille tai korkeintaan eteisaulaan, ja mahdollisiin synergiaetuihin ollaan vasta havahtumassa. Sivuvirtojen hyödyntäminen koskee myös energiataloutta, ja yhdessä muiden ratkaisuiden kanssa lämpöpumput ovat tärkeä osa sitä.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 
 Lämmitysjärjestelmät – Motivan julkaisuja 
 Pientalolämpöpumppujen toiminta käyttökohteissa (PDF) – Tampereen teknillinen korkeakoulu
 IEA Heat Pump Centre  – OECD:n kansainvälisen energiajärjestön IEA:n lämpöpumppuohjelma
 Matalalämpötilajärjestelmien kansainvälinen energiatutkimusohjelma – VTT
 Geoenergia - uusiutuvaa energiaa jalkojesi alta - Työ- ja elinkeinoministeriö
Geoenergiapotentiaali Suomessa  GTK
Janne Juvonen Toivo Lapinlampi: Energiakaivo, Maalämmön hyödyntäminen pientaloissa, Ympäristöopas 2013, Ympäristöministeriö (pdf)
Lämpöpumppujen sanastoa

Lämpöpumput
Seulonnan keskeiset artikkelit

en:Geothermal heat pump
fr:Pompe à chaleur#Pompe .C3.A0 chaleur g.C3.A9othermique