Aurinkolämmön varastointi

Energian varastointi on oleellinen osa aurinkolämpöjärjestelmää. Lämpöä varastoidaan tavallisesti muutamia vuorokausia tasaamaan vuorokautisia ja sään aiheuttamia vaihteluita.

Varastointiin tarvitaan joko hyvin energiatiheää tai hyvin halpaa ainetta: vettä, kiveä tai maata. Pienemmissä kohteissa, kuten omakotitaloissa, aurinkolämpöä varastoidaan vesivaraajaan, maaperään tai lämpökaivon kautta kallioon. Laajoissa aluelämpöverkkoon liitetyissä aurinkokeräinjärjestelmissä lämpö varastoidaan suuriin eristettyihin vesisäiliöihin tai kallioluoliin.

Aurinkolämpöä kerätään muun muassa:
  • suoraan aurinkokeräimillä,
  • ilmanvaihdon poistolämmöstä,
  • rakenteiden jäähdytyksestä,
  • vesistöistä,
  • maaperästä, ja
  • kallioperän pintakerroksista.

Aurinkolämpöä varastoidaan muun muassa:
  • rakenteisiin,
  • perustuksien alle vaakaputkistona,
  • maaperään vaakaputkistona,
  • kallioperään,
  • maanalaisiin vesistöihin, ja
  • vesivaraajaan.

Vesivaraaja

Vesivaraaja on aurinkolämpöjärjestelmissä ylivoimaisesti yleisin ratkaisu lämpöenergian varastointiin. Se on tavallisesti vuorokausivaraaja, jolloin aurinkolämpöä on käytettävissä aurinkoisina vuodenaikoina kaikkina vuorokauden aikoina sekä pilvisinä että sateisina päivinä.

Tavallisimmin auringolla lämmitetään käyttövesivaraajaa, johon voi olla yhdistettynä pesu- ja saunatilojen tai kuivauspattereiden lämmitys joko samasta tai erillisestä varaajasta.

Huonetilojen lämmitystä varten varaajan vettä kierrätetään lattialämmitysputkistossa tai patteriverkossa tai niiden yhdistelmässä. Sekoitusventtiili ohjaa kiertoon menevän veden lämpötilaa yleensä ulkolämpötilan perusteella. Varaajan yläosaan sijoitettu lämminvesikierukka kuumentaa lämpimän käyttöveden. Jos lämmintä vettä kuluu paljon tai käyttöveden riittävyys halutaan muuten varmistaa, voi varaajan alaosaan sijoitettu esilämmityskierukka esilämmittää kylmää käyttövettä ja parantaa näin aurinkolämpöjärjestelmän hyötysuhdetta.

Vesivaraajan tilavuus

Vesivaraajan tilavuus pitää olla oikeassa suhteessa keräinten kokoon ja niiden tuottamaan lämpöenergiaan.

Onnistunut varaajan mitoittaminen edellyttää seuraavia tietoja:
  • kesäaikainen lämpimän käyttöveden kulutus,
  • kesäaikainen lämmitys (lattialämpö, kuivauspatterit, yms.),
  • varaajan häviöt, ja
  • siirtoputkien häviöt (maakanaalin pituus ja tyyppi, käyttöveden kierto).
Aurinkoisena päivänä keräinneliömetri voi tuottaa 2-3 kWh lämpöenergiaa, mikä nostaa 100 litran vesimäärän lämpötilaa 15-25 astetta ja vastaavasti 50 litran vesimäärän lämpötilaa 30-50 astetta. Tilavuuden ohella varaajan lataus- ja purkauskytkennät ratkaisevat sen, kuinka paljon päivittäin voidaan aurinkoenergiaa käyttää tai oikeastaan, kuinka paljon muuta energiaa tarvitaan lämmön tuottamiseen.

Mitä isompi varaaja on, sitä enemmän lämpöä voidaan varastoida esimerkiksi sadepäivien varalle. Etuna on myös keruuliuoksen lämpötilan aleneminen. Suurempi varajaaja on tosin kalliimpi, ja sen lämpöhäviöt ovat isommat.

Yhdistelmävaraajat

Suomessa vesivaraajat ovat useimmiten yhdistelmävaraajia eli samalla varaajalla lämmitetään sekä kuumaa käyttövettä että rakennuksen sisätiloja. Aurinkokeräimen kytkeminen yhdistelmävaraajaan auttaa lämpötilan kerrostumista ja lisää keräimen käyttötunteja. Keräimien liittäminen pelkkään käyttövesivaraajaan johtaa helposti niiden hyötysuhteen laskuun, koska keräimien toimintalämpötila on suurimman osan aikaa kuuman käyttöveden lämpötilatasolla tai ylikin.

Lämmön varastointi maaperään tai kallioperään

Lämpöä voidaan varastoida maa- ja kallioperään esimerkiksi maalämpöpumpun keruuputkiston kautta.

Lämmönkeruu/luovutuspiiri voi olla:
  1. Vaakaputki, joka on asennettu noin metrin syvyydelle maaperään.
  2. 100-200 metriä syvä porakaivo, joka toimii lämpökaivona.

Maaperään varastointi

Vaikka lämmönkeruuputkistoa ei olisi, maaperän lämpötila vaihtelee metrin syvyydellä noin +2:sta asteesta +15:sta asteeseen, ja on lämpimin alkusyksyllä ja kylmin alkukeväällä. Talvella lämmönkeruuputkisto on voinut jäähdyttää ympäröivää maaperää useilla asteilla, jolloin putkea ympäröivä maaperä saattaa keväällä olla alimmillaan pakkasen puolella.

Maaperään varastoitu aurinkolämpö elvyttää lämmönkeruupiirin toimintakykyä, joten se parantaa maalämpöpumpun hyötysuhdetta ja tehoa. Samalla maalämpöpiirin matala lämpötila pitää aurinkokeräimen hyötysuhteen mahdollisimman korkeana. Maaperään lämpöä varautuu erityisen tehokkaasti keväällä ja vielä alkukesälläkin, jolloin maaperä ei ole vielä ehtinyt täysin lämmetä talven jäljiltä.

Lämpökaivoon varastointi

Aurinkolämmön lämpökaivoon varastoinnista saadaan mahdollisesti vielä maaperään varastointia suurempi hyöty. Lämpökaivon lämpötilataso alenee hieman vuosi vuodelta, ja on melko vakaalla tasolla noin viiden käyttövuoden jälkeen.

Aurinkolämmön siirtäminen lämpökaivoon elvyttää tehokkaasti lämpökaivoa talven jäljiltä, joskin osa aurinkolämmöstä saattaa karata pohjavesivirtauksien mukana. Elvytystarve on suurin niin sanotuilla kuivakaivoilla, joissa ei ole vesivirtauksia. Kallioperävarastoinnin avulla maalämpöpumpulle saadaan parempi hyötysuhde, lämpökerroin, ja suurempi teho samaan tapaan kuin maapiirin yhteydessäkin.

Aurinkoenergian varastointi ilman lämpöpumppua

Aurinkoenergiaa voidaan varastoida myös ilman maalämpöpumppua porakaivon tai maaputkiston avulla. Näin varastoitua aurinkolämpöä hyödynnetään muun muassa ilmanvaihdon esilämmityksessä. Maaputkisto voidaan talon rakennusvaiheessa asentaa myös rakennuksen maanvaraisen laatan alle, jolloin putkistoa ympäröivän maan lämpö lämmittää laattaa ja sitä kautta koko kyseisen kerroksen lattiaa. Tällaiseen asennukseen ei kytketä maalämpöpumppua.

Lämmön varastointi talon rakenteisiin

Lämpöenergian varastointi talon rakenteisiin perustuu lämpökapasiteettiin ja lämmön sopivaan johtumiseen massiivisissa rakenteissa, joita ovat esimerkiksi harkko-, tiili- tai betonirakenteet. Raskaista materiaaleista rakennettu massa, kuten välipohjat, pilarit ja seinät, riittää yleensä tasoittamaan vuorokauden aikaisia lämpötilanvaihteluja.

Rakennuksen massa pystyy siis riittävästi varastoimaan esimerkiksi päivän aikana ikkunoiden kautta sisätiloihin lankeavaa aurinkoenergiaa, jotta lämpötilat pysyvät riittävän lämpiminä vielä öisinkin. Käytännön sovelluksissa lämmön varastointi talon rakenteisiin on aurinkoenergian passiivista hyödyntämistä.

Kivivaraaja

Kivivaraajia käytetään yleensä ilmakiertoisissa lämmitysjärjestelmissä. Lämpöä siirretään ilman avulla ja lämmennyt ilma luovuttaa energiaansa kivivaraajaan samalla, kun se itse jäähtyy. Tämä edellyttää mahdollisimman hyvää kosketusta ilman ja kivien välillä sekä ilman tasaista kulkua kivivaraston kautta. Lyhytaikaisessa varastoinnissa kivien optimaalinen koko on noin 20-50 millimetriä ja ilman kulkutien pituus kivien lomitse enintään 3 metriä.

Latausvaiheessa ilma kuljetetaan ylhäältä alas kivivaraajan kautta. Tällä tavalla korkeimmat lämpötilat pysyvät varaajan yläosassa, mutta lämpöä siirtyy myös alempiin kerroksiin. Lämmön purkaminen tapahtuu päinvastaiseen suuntaan alhaalta ylös, jolloin ilma saadaan ensin esilämmitetyksi alemmissa kerroksissa ja sitten tehokkaasti lämmitetyksi pintakerroksessa.

Faasimuutokseen perustuva varaaja (sulamislämpövaraaja)

Lähes kaikki aineet muuttavat olomuotonsa määrätyssä lämpötilassa. Olomuodon muutos sitoo tai luovuttaa energiaa. Sulaessaan jää sitoo eli ottaa ympäristöstään energiaa. Vastaavasti jäätyessään se luovuttaa energiaa. Sama ilmiö havaitaan nesteen muuttuessa edelleen kaasuksi (veden kiehuminen) ja kaasun tiivistyessä vedeksi. Aineissa tapahtuu faasimuutos, mikä tarkoittaa aineen sisäisen rakenteen muuttumista.

Aineet, joiden sulamislämpö on suuri ja sulamispiste lähellä lämmitysjärjestelmän tarvitsemia lämpötiloja, sopivat parhaiten lämmön varastoimiseen. Lisäksi näille aineille asetetaan useita teknisiä vaatimuksia. Sulamisen tulisi tapahtua tasaisesti ja olomuodon muutosprosessin toistua lukemattomia kertoja. Veden sulamislämpö on melko suuri, mutta sen sulamispiste 0 °C ei sovellu lämmitystarkoituksiin. Glaubersuolan muodonmuutoslämpötila 32 °C on sopiva, mutta reaktio uudistuu vain osittain. Se saadaan kuitenkin hallintaan sopivien lisäaineiden avulla.


Sivua päivitetty viimeksi 25.4.2017