Maalämpökaivon halkaisija

Suomessa porataan pääosin 115mm (4,5") tai 140mm (5,5") maalämpökaivoja. Onko suurempi vai pienempi kaivo parempi maalämpökaivona?

Suomen kallioperän keskimääräinen lämmönjohtavuus on n. 3,0 W/Km. Veden lämmönjohtavuus on n. 0,6 W/Km. Eli vesi toimii "eristeenä" kaivossa. Mitä suurempi on vesimäärä putkien ympärillä, sitä suurempi on porakaivon lämpövastus. Pienempi kaivo on siis energiakaivona parempi.

Porakaivon lämpövastukseen vaikuttaa lisäksi keruuputken seinämävahvuus ja keruuputkien sijoittuminen kaivossa.

Suurempaa kaivo voidaan tarvita, mikäli kaivoon asennetaan suurempi keruuputki, kuin normaalisti käytössä oleva 2x40mm kollektori. Esimerkiksi suurissa kohteissa, joissa tarvitaan jäähdytykseen suuria virtaamia, käytetään usein 2x50mm kollektoria.  Porausteknisistä syistä tai kallion sortumien takia ei tarvitse porata suurempaa kaivoa.

Keruuputkityyppi ja putkierottimet

Keruuputkityyppi vaikuttaa porakaivon lämpövastukseen sekä keruuputken painehäviöön.

Halkaisijaltaan suuremmassa keruuputkessa painehäviö on pienempi ja tarvittaessa siihen saadaan suurempi virtaama, kuin pienempään keruuputkeen. Mitä paksumpi putken seinämävahvuus on, sitä suurempi on porakaivon lämpövastus.  Keruuputkien määrän kasvattaminen kasvattaa lämmönsiirtopinta-alaa, jolloin porakaivon lämpövastus laskee.

Putkierottimilla pyritään saamaan keruuputket mahdollisimman kauas toisistaan ja mieluiten kiinni kaivon seinämään, jolloin porakaivon lämpövastus on mahdollisimman pieni. Halkaisijaltaan suuremmissa lämpökaivoissa putkierottimilla on merkitystä, mutta mittausten perusteella 2x40mm kollektorilla ilman putkierottimia ja 115 mm kaivolla on porakaivon lämpövastus hyvin lähellä teoreettista minimiä. Eli 115 mm lämpökaivossa ei putkierottimista ole käytännön hyötyä.

Lämpökaivon mitoittava tekijä on pääosin tarvittava lämmitysenergia. Keruuputkityypillä ja putkierottimilla voidaan vaikuttaa pääosin vain hetkelliseen tehonottoon lämpökaivosta. Lämpökaivosta saatavaan energiamäärään (eli tarvittavaan kaivometrimäärään) keruuputkityypillä ja putkierottimilla ei pitkällä aikavälillä ole suurta merkitystä. Energiakaivoissa tulisi kuitenkin pyrkiä minimoimaan porakaivon lämpövastus.

Maalämpökaivon syvyys

Maalämpökaivot ovat tavallisesti 100-300m syviä. Omakotitaloissa kaivosyvyydet ovat pääosin 100-200m, mutta suuremmissa kiinteistöissä kaivot ovat usein yli 200m syviä. Kuinka syviä kaivoja kannattaa porata?

Maalämpökentän energiantuottoon vaikuttaa suuresti kalliomassan koko, mistä kaivot keräävät energiaa. Tontin koko, rakennukset ja pinnan muodot rajoittavat usein kalliomassan vaakasuuntaista kasvattamista. Tällöin voidaan kalliomassaa kasvattaa pystysuunnassa, poraamalla syvempiä kaivoja.

Maan sisältä tuleva geoterminen lämpö kasvattaa kallion lämpötilaa n. 100m syvyydestä alkaen. Eli mitä syvempi kaivo on, sitä lämpimämpi on kaivon keskimääräinen lämpötila. Suurempi lämpötila parantaa lämpöpumpun hyötysuhdetta.

Syvemmillä kaivoilla saadaan tarvittava porausmetrimäärä toteutettua vähemmällä kaivomäärällä. Tällöin säästetään mm. maaputkituksen määrässä, vaakaputkituksessa sekä kaivuumäärässä.

Lämpökaivoja syventäessä ja lukumäärää vähentäessä tulee kuitenkin varmistaa, että lämpöpumppu saa riittävän paljon virtaamaa toimiakseen. Yhteen kaivoon 2x40mm kollektoreihin ei saada juurikaan yli 0,6 l/s virtaamaa, joten kaivojen vähentäminen laskee pumpulle tulevaa kokonaisvirtaamaa. Lisäksi syvemmissä kaivoissa painehäviö on samalla virtaamalla suurempi, kuin matalammissa kaivoissa. Käytännössä yli 200m kaivoissa kannattaa aina varmistaa kiertopumpun koon riittävyys!

Maalämpökaivojen etäisyys

Maalämpökenttä, josta otetaan lämmitysenergiaa, alkaa jäähtymään ajan kuluessa. Jäähtymä on hidasta, mutta riippuu suuresti lämmityskuorman suuruudesta. Liian suurella lämmityskuormalla jäähtyy kaivokenttä nopeasti. Jäähtyneestä kaivokentästä ei saada haluttua määrää energiaa ja pahimmillaan kaivokenttä pääsee jäätymään. Energiakentästä saatavaan energiamäärään vaikuttaa mm. maalämpökaivojen etäisyys.

Kahden maalämpökaivon kohteissa ei kaivojen etäisyydellä ole suurta merkitystä, kunhan kaivoja ei porata samasta lähtöpisteestä. Suuremmissa kaivokentissä kaivojen etäisyyden merkitys korostuu. Mikäli halutaan, etteivät kaivot vaikuta toisiinsa juuri lainkaan, tulisi kaivojen etäisyyden olla n. 40m. Näin suuri etäisyys ei kuitenkaan ole yleensä järkevää ja mahdollista toteuttaa. Maalämpökaivojen keskinäiset vaikutukset pitää siis vain huomioida mitoituksessa.

Pystysuora vai kallistettu kaivo

Kallistetuilla kaivoilla saavutetaan seuraavia etuja verrattuna pystysuoriin kaivoihin:
  • Rakennusten ja porauskalustolle pääsemättömissä olevan alueen alla oleva kalliomassa saadaan hyödynnettyä
  • Mahdollisimman suuri osa tontin kalliomassaa saadaan hyödynnettyä ja kaivojen keskietäisyydet saadaan maksimoitua
  • Kaivojen yläpäitä voidaan tuoda hieman lähemmäs toisiaan, jolloin säästetään kaivuu- ja vaakapuktimäärässä (suositeltava yläpäiden etäisyys 10m)

Keruuputket saadaan asennettua yhtä hyvin kallistettuihin, kuin pystysuoriinkin kaivoihin. Porausteknisistä syistä kallistuksen suuruus ei voi kuitenkaan olla kovin suuri. N. 15 asteen kallistus on maksimikallistus. Kallistetuissa kaivoissa tulee aina varmistua, että lämpökaivon alapääkin pysyy oman tontin puolella ja riittävän etäällä naapureista.

Kallistetun kaivon keskietäisyys lasketaan kaivon keskipisteestä. Kallistettuja kaivojen suunnittelussa tulee varmistaa, että kaivojen riittävä keskietäisyys täyttyy, vaikka kaivo taittuisikin nopeammin alaspäin ja vaakasuuntainen etenemä pienenisi. Tästä syystä teoreettinen keskietäisyys kallistetuille kaivoille tulisi aina olla suurempi, kuin tavoiteltu kaivojen keskietäisyys.


Nippuporaus eli useita kaivoja samasta lähtöpisteestä

Tätä tulisi välttää aina! Lämpöpumput kuormittavat jokaista kaivoa jollain teholla, joka on tyypillisesti n. 30 W/m. Jokainen lämpökaivo jäähdyttää siis ympärillä olevaa kalliomassaa tuolla teholla. Mikäli useita lämpökaivoja porataan yhdestä lähtöpisteestä, ovat kaivot pitkän matkaa liian lähellä toisiaan. Esim. 5 asteen kallistuksilla kaivot ovat ensimmäiset 30m alle 5m päässä toisistaan. Tehonotto yläpään kalliomassaan on niin suuri (esim. kolmella kaivolla 90 W/m), että lämpökaivon yläpää jäätyy ajan kuluessa. Kaivon yläpään jäätyminen kasvattaa kaivon muiden osien lämpökuormaa, jolloin jäätyminen etenee kaivoissa nopeasti. Nippuporauksella toteutetut maalämpökentät eivät ole pitkäikäisiä.

Miksi kaivokentän painehäviöiden ja virtaamien laskenta on tärkeätä?

Lämpöpumput tarvitsevat tietyn nimellisvirtaaman lämmönkeruupuolelle, jotta ne toimisivat suunnitellulla tavalla. Liian pieni virtaama huonontaa lämpöpumpun hyötysuhdetta. Suuri painehäviö kasvattaa kiertopumpun tehontarvetta ja näin ollen energiakuluja. Ilman kiertopumpun vaihtoa pumpulle tuleva virtaama pienenee. Maalämpökenttä vaakaputkistoineen tuleekin suunnitella siten, että lämpöpumpun virtaamatarve toteutuu mahdollisimman pienellä painehäviöllä.

Lämpöpumppujen mukana tulevat ns. vakiokertopumput ovat hyvin usein liian pieniä kaivokentille. Maalämpökentissä kiertopumppu tuleekin aina mitoittaa kaivokentän ja virtaamatarpeen mukaan.

EED-simulointiohjelman luotettavuus

Earth Energy Designer (EED) on kehitetty Ruotsissa maalämpökenttien mitoitukseen. Ohjelma ottaa huomioon kallioperän termiset ominaisuudet, rakennuksen lämpö- ja jäähdytyskuormat, kaivojen väliset etäisyydet sekä kaivokentän jäähtymän.

Suomessa maalämpöä on tehty suuressa mittakaavassa vasta n. 5 vuoden ajan, joten riittävän pitkää kokemusta kaivokenttien toiminnasta ei ole. Ruotsissa maalämpöä on hyödynnetty huomattavasti pitempään, jolloin kokemusta mm. kaivokenttien jäähtymisestä löytyy. Hyvä esimerkki EED-ohjelman luotettavuudesta on, että Tukholman kaupunki vaatii kaikkiin maalämpökohteisiin mitoituksen EED-ohjelmalla.

EED-ohjelma on oikein käytettynä todennäköisesti tämän hetken luotettavin kaivokenttien mitoitusohjelma.