Aurinkolämpö
Aurinkolämpö on päästötön ja uusiutuva lämmön lähde. Se soveltuu esimerkiksi tilojen ja käyttöveden lämmitykseen sekä pientaloissa että taloyhtiössä.
Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää sekä aktiivisesti että passiivisesti
Passiivisesti auringosta saatavaa valoa ja lämpöä hyödynnetään suoraan ilman erillisiä laitteita, ja lämpö varastoidaan rakennuksen rakenteisiin. Edellytyksenä on rakennuspaikka, jossa pääosa rakennuksen ikkunoista voidaan suunnata etelään ilman varjostuksia. Aurinkoenergian passiiviseen hyödyntämiseen kuuluu myös aurinkosuojaus varjostavalla rakenteella tai kaihtimella. Talvella matalalta sisätiloihin lankeava säteily lämmittää tiloja, mutta suojaus vähentää kesäajan lämpökuormaa.
Aktiivisessa hyödyntämisessä auringonsäteily muunnetaan aurinkokeräimillä lämpöenergiaksi. Tavallisesti energia varastoidaan vesivaraajaan, mutta se voidaan yhdistää myös muihin vesikiertoisiin lämmitysjärjestelmiin tai kaukolämpöverkkoon. Aurinkolämpöä voidaan käyttää myös muihin lämpimän veden kohteisiin, kuten ulkouima-altaan lämmitykseen. Aurinkokeräimien lämmönsiirtoaineena voidaan käyttää nesteen lisäksi ilmaa.
Mitä ottaa huomioon aurinkolämpöjärjestelmän hankinnassa?
Aurinkolämpöjärjestelmän hankinta aloitetaan energiantarpeen ja käyttötarkoituksen kartoituksella. Hankinnan kannattavuuteen vaikuttaa keskeisesti järjestelmän oikea mitoittaminen. Tyypillisessä pientalojärjestelmässä on 4-8 keräinneliötä, jos lämmitetään vain käyttövettä ja 8-12 keräinneliötä, jos aurinkolämpöä hyödynnetään myös tilojen lämmitykseen.
Suomessa suurin vuosituotto saadaan suuntaamalla keräimet etelään ja noin 45 asteen kulmaan. Mikäli halutaan maksimoida tuottoa kesällä, valitaan loivempi kulma. Jos aurinkolämpöä käytetään tilojen lämmitykseen, kannattaa vahvistaa kevään ja syksyn tuottoa. Tällöin keräimet nostetaan pystympään.
Koska tuuli viilentää keräimiä ja lisää häviöitä, pitäisi keräimet sijoittaa suojaisaan paikkaan. Usein sopiva varjoton ja lämmin paikka löytyy rakennuksen katolta. Avoimella tontilla keräimet voidaan asentaa myös maahan tai talon seinustalle. Keräimet voidaan asentaa myös osaksi rakennuksen vaippaa, jolloin keräin muodostaa tuulen- ja vedenpitävän rakennuselementin, jota voidaan käyttää energiantuotannon lisäksi esimerkiksi vesikatteena, tuulensuojana, julkisivuverhouksena, kaiteena tai meluaitana. Keräimet on myös hyvä sijoittaa mahdollisimman lähelle varaajaa, jotta lämmönsiirtohäviöt olisivat mahdollisimman pienet.
Ennen keräinten asennusta on varmistettava katon rakenteiden kestävyys ja kunto. Myös lumi- ja tuulikuormat on huomioitava. Jos mahdollista, keräimet on hyvä asentaa sellaiseen kulmaan, että lumi pysyy niiden päällä mahdollisimman huonosti tai paikkaan, joissa niistä on helppoa poistaa lumet. Samalla on tarkistettava, miten keräimet voidaan fyysisesti kiinnittää talon rakenteisiin. Aurinkokeräinten asentamisen lupakäytännöt voivat vaihdella sen mukaan mihin ja minkälaiseen rakennukseen laitteisto asennetaan. Lupakäytäntö kannattaa aina tarkistaa etukäteen kunnan rakennusvalvonnasta.
Aurinkolämpöjärjestelmät
Aurinkolämpöjärjestelmissä on lähes aina tarpeen olla lämpövarasto. Lämpöä varastoidaan tavallisesti muutamia vuorokausia tasaamaan vuorokauden sisäisiä ja sään aiheuttamia lämpötilavaihteluita. Pienemmissä kohteissa, kuten omakotitaloissa, aurinkolämpöä varastoidaan yleensä vesivaraajaan, lattiarakenteisiin, maaperään tai lämpökaivon kautta kallioon. Ilmakiertoisissa järjestelmissä lämpö varastoidaan usein rakenteisiin.
Aurinkokeräimien lämmönsiirtoaineena voidaan käyttää joko nestettä tai ilmaa. Nestekiertoisissa keräimissä lämpö siirretään nesteen avulla käyttökohteisiin tai lämpövaraajaan. Nestekiertoiset keräimet voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: Tasokeräimiin sekä tyjiöputkikeräimiin. Keräimessä käytettävä kiertoneste on yleensä pakkasenkestävää, vaikka vedellä on muita nesteitä selvästi paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet. Vettä voidaan käyttää kiertonesteenä sellaisissa järjestelmissä, joissa ei ole jäätymisvaaraa. Muuten ulkoilman kanssa kosketuksissa olevat osat tulee tyhjentää ulkolämpötilan laskiessa alle 0 °C:seen.
Ilmakiertoisissa keräimissä lämpö siirretään ilman avulla.
Tasokeräin
Tasokeräimissä säteilyä kerätään tumman keräinelementin avulla. Niissä lähes koko keräimen pinta ottaa säteilyä vastaan. Elementin tumma pinta absorboi eli imee siihen lankeavasta säteilystä suurimman osan ja kuumenee. Elementti on yleensä metallirakenteinen, mutta myös lämpöä kestäviä muoveja käytetään varsinkin kattamattomissa keräimissä.
Tyhjiöputkikeräin
Tyhjiöputkikeräimestä on ilma poistettu lähes kokonaan, jolloin johtumishäviöt vähenevät merkittävästi, ja keräimen hyötysuhde säilyy tasokeräintä parempana korkeissa toimintalämpötiloissa. Lasiputken tyhjiö toimii tehokkaana lämmöneristeenä ja estää siten tehokkaasti lämpöä karkaamasta takaisin ulkoilmaan, jolloin suurempi osa lämmöstä voidaan hyödyntää. Tämän takia lämmöntuotto tyhjiöputkissa voi varsinkin kylminä vuodenaikoina olla korkeampi kuin tasokeräimissä. Lämpiminä vuodenaikoina taso- ja tyhjiöputkikeräinten lämmöntuotoissa ei ole kovin suuria eroja, mutta hinnaltaan tyhjiökeräimet ovat huomattavasti kalliimpia.
Tyhjiöputkikeräimen sisäosien lämpötila voi nousta jopa 250-asteiseksi keräimen pintalämpötilan pysyessä huomattavasti tätä viileämpänä. Lämmönsiirto tyhjiöputkesta lämmönsiirtonesteeseen tapahtuu joko läpivirtausperiaatteella tai lämpöputken (Heat Pipe) avulla. Läpivirtausperiaatteella toimivissa tyhjiöputkikeräimissä neste virtaa joko u-muotoisessa putkessa tai sisäkkäin olevista putkista muodostetussa koaksiaaliputkessa.
Ilmakeräin
Ilmakeräin käyttää lämmönsiirtoaineena ilmaa. Ilmakiertoisissa keräimissä lämpö siirretään ilman avulla. Keräimessä käytettävä kiertoneste on yleensä pakkasenkestävää, vaikka vedellä on muita nesteitä selvästi paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet. Vettä voidaan käyttää kiertonesteenä sellaisissa järjestelmissä, joissa ei ole jäätymisvaaraa. Muuten ulkoilman kanssa kosketuksissa olevat osat tulee tyhjentää ulkolämpötilan laskiessa alle 0 °C:seen.
Koska ilman lämmönvastaanottokyky ja -siirtokyky ovat huonommat kuin nesteen, hyvin toimivia laitteita saadaan rakentamalla absorptioelementtejä, joissa on suuri lämmönsiirtopinta.
Aurinkolämmön kytkentä muihin lämmitysjärjestelmiin
Aurinkolämpöjärjestelmä soveltuu hyvin osaksi muuta lämmitysjärjestelmää niin sanottuna hybridijärjestelmänä, jolloin aurinkolämmöllä korvataan ostoenergiaa tai varastoidaan lämpöä. Auringolla lämmitetään tavallisimmin käyttövettä, mutta aurinkolämpö voidaan liittää mainiosti myös muihin vesikiertoisiin lämmitysjärjestelmiin ja vähentää näin polttoaineen- tai sähkönkulutusta. Jos auringolla lämmitetään pelkkää käyttövettä ja järjestelmä on suhteellisen kookas, ylijäämälämpö voidaan käyttää esimerkiksi ulkouima-altaan lämmitykseen.
Kytkentä suoraan sähkölämmitykseen
Kun rakennus lämmitetään suoralla sähkölämmityksellä, aurinkolämpöä voidaan hyödyntää tilojen lämmitykseen passiivisesti ja käyttöveden lämmitykseen aktiivisesti. Tällöin käyttöveden lämmitykseen käytetään tavanomaisen varaajan sijasta aurinkokierukalla varustettua käyttövesivaraajaa.
Kytkentä varaavaan sähkölämmitykseen
Kun rakennus lämmitetään suoralla sähkölämmityksellä, aurinkolämpöä voidaan hyödyntää tilojen lämmitykseen passiivisesti ja käyttöveden lämmitykseen aktiivisesti. Tällöin käyttöveden lämmitykseen käytetään tavanomaisen varaajan sijasta aurinkokierukalla varustettua käyttövesivaraajaa.
Kytkentä öljylämmitykseen
Aurinkolämmön kytkeminen öljykattilan rinnalle on teknisesti järkevää, sillä silloin öljykattilan lämpöhäviöt jäävät pois ja kesäaikaan öljypoltin voidaan jopa kytkeä pitkäksi aikaa pois päältä. Öljykattilan vesitilavuus on tyypillisesti noin 150–200 litraa, ja se on tilavuudeltaan riittämätön aurinkolämpökäyttöön. Keräinten tuottaman energian välivarastoimiseksi rinnalle kytketään erillinen energiavaraaja.
Kytkentä puulämmitykseen
Aurinkoenergia soveltuu hyvin yhdistettäväksi puulämmitykseen tai muuhun biomassalämmitykseen. Lämmityskauden ulkopuolella puukattilan käytöstä aiheutuva lämpökuorma kesäaikana ylilämmittää sisätiloja. Aurinkolämmityksen hyödyntämisessä puulämmityksen kanssa on lisäetuna myös se, että kesäaikaan vapaudutaan lämmityksen polttoainehuollosta. Aurinkolämpö liitetään puulämmitykseen samojen periaatteiden mukaan kuin varaavassa vesikiertoisessa sähkölämmityksessä.
Kytkentä maalämpöön
Aurinkokeräimen voi myös kytkeä maalämpöjärjestelmään parantamaan maalämmön hyötysuhdetta ja tehoa tai vaihtoehtoisesti käyttää maalämmön keruupiiriä lämpövarastona, tai kaukolämmön rinnalle pienentämään kaukolämmön kulutusta.
Aurinkoenergian varastointi vesivaraajaan
Aurinkolämpöjärjestelmissä vesivaraajan käyttö lämpöenergian varastointiin on ylivoimaisesti yleisin ratkaisu. Kyseessä on tavallisesti vuorokausivaraaja, jolloin aurinkolämpöä on käytettävissä aurinkoisina vuodenaikoina kaikkina vuorokauden hetkinä ja myös pilvisinä ja sateisina päivinä.
Yleisimmin auringolla lämmitetään käyttöveden varaajaa, johon voi olla yhdistettynä pesu- ja saunatilojen tai kuivauspattereiden lämmitys. Huonetilojen lämmitystä varten varaajan vettä kierrätetään lattialämmitysputkistossa, patteriverkossa tai niiden yhdistelmässä. Sekoitusventtiili ohjaa kiertoon menevän veden lämpötilaa yleensä ulkolämpötilan perusteella. Varaajan yläosaan sijoitettu lämminvesikierukka valmistaa lämmintä käyttövettä. Jos lämmintä vettä kuluu paljon tai käyttöveden riittävyys halutaan muuten varmistaa, voi varaajan alaosaan sijoitettu esilämmityskierukka esilämmittää kylmää käyttövettä ja parantaa näin aurinkolämpöjärjestelmän hyötysuhdetta.
Aurinkokeräinjärjestelmä mitoitetaan usein niin, että sillä katetaan noin puolet lämpimän käyttöveden tarvitsemasta energiamäärästä. Varaajan tilavuus pitää olla oikeassa suhteessa keräinten kokoon ja niiden tuottamaan lämpöenergiaan. Varaajan tilavuus tulisi mieluiten olla ainakin 100-1500 litraa 1,5 neliömetrin keräinpinta-alaa kohden. Varaajatilavuus on hyvä olla suurempi, jos varaajaa ei pureta päivittäin kesäaikana. Uuden ja hyvin eristetyn 300–500 -litraisen varaajan lämpöhäviö on noin 3 kWh/vrk. Lämpimän käyttöveden kulutuksen keskiarvona voi käyttää 50 l/hlö/vrk.
Aurinkolämpöjärjestelmän vuosituotto, hyötysuhde ja käyttöaika
Aurinkolämpöjärjestelmän vuosituotto riippuu merkittävästi keräintyypistä, asennettujen keräinten sijainnista, suunnasta sekä mitoituksesta suhteessa kohteen lämmönkulutukseen. Tyypillinen tuotanto käyttövedelle on 0,4 MWh/keräin-m2. Muissa käyttökohteissa, esimerkiksi tilojen tai uima-altaan lämmityksessä, ylletään vähintään 0,5 MWh/keräin-m2 tuottoihin. Aurinkoisena päivänä keräinneliömetri voi tuottaa 2-3 kWh lämpöenergiaa, mikä nostaa 100 litran vesimäärän lämpötilaa 15-25 °C ja vastaavasti 50 litran lämpötilaa 30-50 °C.
Aurinkokeräimeen lankeavan auringonsäteilyn määrästä voidaan hyödyntää vain osa. Keräimen hyötysuhde tekniikasta ja olosuhteista riippuen voi olla jopa yli 70 prosenttia. Käytännössä koko järjestelmän hyötysuhde on kuitenkin pienempi muun muassa lämpötilaolosuhteista ja lämpöenergian varastointikapasiteetista johtuen. Kaikilla nestekiertoisilla keräimillä lämmönkeruukyky on tehokkaampi silloin, kun keräimeen sisään tuleva neste on mahdollisimman viileää. Tämä edellyttää mahdollisimman matalaa lämpötilaa energiavaraajassa tai vastaavasti matalaa lämmitysverkon paluulämpötilaa. Näin ollen matalalämpöisessä käytössä, kuten vesikiertoisessa lattialämmityksessä, hyötysuhde on parempi kuin patterilämmityksessä.
Aurinkolämpöjärjestelmän käyttöajaksi voidaan laskea noin 30 vuotta. Sen ylläpitokustannus käyttöiän aikana on 5–10 prosenttia alkuinvestoinnista. Ohjausyksikkö ja paisunta-astia pitää vaihtaa yleensä kerran ja lämmönsiirtonesteet kahdesti 30 vuoden aikana. Pumppu kestää yleensä koko aurinkolämpöjärjestelmän eliniän.
Aurinkolämpöjärjestelmän huolto ja ylläpito
Tasokeräimiä tarvitsee huoltaa vain hyvin vähän. Koko järjestelmä on kuitenkin tarkastettava säännöllisesti ja huollettava tarvittaessa, jotta varmistetaan sen toiminta oikein koko käyttöiän ajan.
Normaalisti keräimet puhdistuvat lumen ja sadeveden avulla riittävästi. Aurinkokeräimet kannattaa kuitenkin puhdistaa säännöllisesti, jos lähistöllä on paljon puita tai muuta likaavaa tai roskaavaa. Jos talvella epäilee sallitun lumikuorman ylitystä, voi lumen poistaa, kunhan välineet eivät vahingoita keräinten lasipintoja. Keräinten kiinnitykset, liitäntöjen eristeet ja rakenteiden läpiviennit on myös hyvä tarkistaa vuosittain mahdollisilta vuodoilta tai lintujen aiheuttamilta vaurioilta. Samoin aurinkolämpöjärjestelmän säädöt on tarkastettava vuosittain.
Pakkassuojaus ja keruuliuoksen jäätymispiste on normaalisti tarkastettava kahden vuoden välein, jotta keräin ei jäädy talvella. Järjestelmän paine vaihtelee jonkin verran lämpötilan mukaan, joten painemittariakin on hyvä seurata. Ellei aurinkokeräinjärjestelmää käytetä esimerkiksi pidemmän poissaolon aikana, keräimet on hyvä peittää, jottei lämmönsiirtoneste kiehuisi. Myös varaaja on hyvä huoltaa ja puhdistaa aurinkolämpökeräinten huollon yhteydessä.