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,
rakenkeiden jäähdytyksestä,
vesistöistä,
maaperästä ja
kallioperän pintakerroksista.

Aurinkolämpöä varastoidaan muun muassa:

vesivaraajaan,
rakenteisiin,
perustusten alle vaakaputkistona,
maaperään vaakaputkistona,
kallioperään ja
maanalaisiin vesisäiliöihin.

Vesivaraaja

Vesivaraaja on aurinkolämpöjärjestelmissä ylivoimaisesti yleisin ratkaisu lämpöenergian varastointiin. Tavallisimmin auringolla lämmitetään käyttövesivaraajaa tai yhdistelmävaraajaa, jolloin energiaa hyödynnetään käyttöveden tai huonetilojen lämmitykseen. Aurinkokeräimen kytkeminen yhdistelmävaraajaan auttaa lämpötilan kerrostumista ja lisää keräimen käyttötunteja. Keräinten liittäminen pelkkään käyttövesivaraajaan johtaa helposti niiden hyötysuhteen laskuun, koska keräinten toimintalämpötila on suurimman osan aikaa kuuman käyttöveden lämpötilatasolla tai ylikin.

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

Lämmön varastointi maaperään tai kallioperään

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

Lämmönkeruu/luovutuspiiri voi olla:

Vaakaputki, joka on asennettu noin metrin syvyydelle maaperään.
100-200 metriä syvä porakaivo, joka toimii lämpökaivona.

Maaperään varastointi

Maaperän lämpötila vaihtelee metrin syvyydellä noin +2:sta asteesta +15:sta asteeseen. Lämpimin se on alkusyksyllä ja kylmin alkukeväällä. Lämmityskauden aikana lämmönkeruuputkisto voi jäähdyttää ympäröivää maaperää useilla asteilla, ja keväällä maaperä voi putken ympärillä olla alimmillaan jopa -5 astetta pakkasen puolella.

Maaperään lämpöä varautuu erityisen tehokkaasti keväällä ja vielä alkukesälläkin, jolloin maaperä ei ole vielä ehtinyt täysin lämmetä talven jäljiltä.

Maaperään varastoitu aurinkolämpö elvyttää lämmönkeruupiirin toimintakykyä, joten se parantaa maalämpöpumpun hyötysuhdetta ja tehoa. Samalla maalämpöpiirin matala lämpötila pitää aurinkokeräimen hyötysuhteen mahdollisimman korkeana.

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.

Lämmön varastointi talon rakenteisiin

Talon sisämateriaalien lämmönvarastointikyky vaikuttaa siihen, kuinka paljon ikkunoiden kautta tulevaa auringonsäteilyä pystytään hyödyntämään. Raskasrunkoiset talot ovat kevytrakenteisia parempia. Puurunkoisten talojen lämpökapasiteettia voidaan parantaa rakentamalla esimerkiksi sydänmuuri, tiiliseiniä ja -lattioita. Kivipintoja ei saa peittää, jotta ne pystyvät absorboimaan lämpöä niihin osuvasta auringonsäteilystä.

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.

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.