Tuloilman esilämmitys maapiirillä

Tuloilman esilämmitys maapiirillä parantaa talon energiatehokkuutta

Teksti: Pekka Hietala

Ilmanvaihtolaitteeseen liitetty yksinkertainen maapiiri kykenee lämmittämään tuloilmaa pakkasella tai viilentämään sitä helteellä – Tämä kaikki pelkän kiertovesipumpun sähkönkulutuksella.

Ilma lämpiää ja viilenee maan avulla

Maahan asennettava maapiiri mahdollistaa ilmanvaihtolaitteelle tulevan ilman lämmittämisen, tai viilentämisen passiivisesti, ilman erillistä lämmitintä, lämpöpumppua tai jäähdytintä.

Järjestelmän toiminta perustuu maalämmön hyödyntämiseen mahdollisimman edullisesti ja yksinkertaisesti – Energia on ilmaista ja kustannukset muodostuvat vain järjestelmän rakentamisesta, sekä lämmön siirtämisestä ilmanvaihtolaitteelle.

Järjestelmä koostuu maapiiristä, paisunta-astiasta, kiertovesipumpusta, kanavalämmittimestä ja suodattimesta.

Järjestelmä koostuu maapiiristä, paisunta-astiasta, kiertovesipumpusta, kanavalämmittimestä ja suodattimesta.

Koekenttä pohjolan kovissa olosuhteissa

Maapiirillä tapahtuvan tuloilman esilämmitys ja viilennys -järjestelmiä on asennettu Suomeen jo satoja. Laitteen tarve lämmittämisessä korostuu erityisesti pohjoisen kylmissä olosuhteissa.

Oulun kaupungin rakennusviraston tarkastusinsinööri Markku Hienoselle on kertynyt kokemusta laitteistojen toiminnasta ja tulokset vaikuttavat lupaavilta.

Hienosen mukaan maapiirin keskeinen idea on luoda optimaaliset olosuhteet lämmöntalteenottojärjestelmällä varustetun ilmanvaihtolaitteen toiminnalle pakkaskaudella.

Pakkasella IV-laitteen lämmöntalteenottokenno pyrkii jäätymään, jolloin tuloilmapuhallin pysähtyy mutta poistoilmapuhallin jatkaa toimintaansa. Seurauksena on se, että rakennuksen tiloihin voi muodostua alipaine, jolloin jääkylmä korvausilma virtaa sisään liesituulettimen kanavasta, rakenteiden vuotokohdista tai vaikkapa tulisijan hormista.

Tiiviiksi rakennetussa talossa ilmanvaihtokoneen moitteeton toiminta on edellytys talon kosteustekniselle toimivuudelle ja laitteen jäätyessä toistuvasti voi seurata ongelmia.

Pieni lenkki pitkässä ketjussa

IV- laitteeseen liitetystä maapiiristä saadaan vain noin +12 – +4 asteista nestettä laitteen lämmönvaihtimelle mutta se on osoittautunut riittäväksi takaamaan lämmöntalteenottolaitteiston moitteettoman toiminnan pakkasella.

Vaihtuuko ilma jo liikaakin?

Markku Hienosen mukaan ilmanvaihtojärjestelmän rooli rakennusten energiatehokkuudessa on merkittävä. Nykyisillä rakennusmääräyksillä kaikki e-lukuun vaikuttavat tekijät on huomioitava, joten myös tuloilman esilämmitys on varteenotettava seikka.

Suomessa perusvaatimus ilmanvaihdon tarpeeseen asuinrakennuksissa on ns. ”puolivaihto” 0,5, eli puolet huoneistojen ilmasta vaihdetaan tunnissa.  Tämä tarkoittaa 600m3:n talossa 300 kuutiota tunnissa. Useissa maissa vaatimus on matalampi, eli 0,4 tai jopa 0,3. Hienosen mielestä voitaisiin pohtia riittäisikö meilläkin vähempi, sillä se olisi energiatehokkaampaa.

Oulun rakennusvalvonnassa on hyvien kokemusten myötä päädytty suosittelemaan IV-laitteen maapiirin asentamista pientalojen talviaikaiseen esilämmitykseen ja kesäajan viilennykseen. Myös opastusta ja neuvontaa on kokemusten myötä jo saatavilla.

Asennuspaikalla ja maaperällä on vaikutusta

Maaperässä riittää lämpöä hyödynnettäväksi myös talvella.  Metrin syvyydessä on vähintään +2 astetta talvikaudella ja jopa +15 astetta loppukesällä ja syksyllä.

Maapiirin asennussyvyydellä ja koolla on vaikutusta maapiirin tehokkuuteen. Isompi piiri tuottaa enemmän lämpöä mutta ilmanvaihtolaitteessa sitä ei kyetä välttämättä hyödyntämään. Mitä syvemmällä maassa piiri on, sitä stabiilimpi on lämpötila, johon ei pääse vaikuttamaan sääolosuhteet.

Esilämmityspiiri voidaan rakentaa maalämpöjärjestelmän oheen omaksi piirikseen, tai erillisenä järjestelmänä, jolloin tontin maaperään upotetaan 1,2-4.5 metrin syvyyteen maalämpöjärjestelmissäkin käytettyä PEH 40m vesijohtoputkea.

Esilämmityspiiri voidaan rakentaa maalämpöjärjestelmän oheen omaksi piirikseen, tai erillisenä järjestelmänä, jolloin tontin maaperään upotetaan 1,2-4.5 metrin syvyyteen maalämpöjärjestelmissäkin käytettyä PEH 40mm vesijohtoputkea.

Maaperän laatu on piiriin tehoon eniten vaikuttava seikka, sillä maalajin lämmönvarauskyky liittyy suoraan sen kosteuteen. Kostean maamassan kyky varata lämpöä on huomattavasti parempi, kuin kuivan maa-aineksen.

Maapiirille erittäin otollinen asennuspaikka on märkä savimaa, sillä siinä on yleensä aina vähintään puolet vettä, kun taas kuivassa hiekassa vettä on vain muutama prosentti.

Hiekkamaahan, metrin syvyyteen ja etelärinteeseen upotetun piirin lämpötila nousee vasta, kun lumet sulaa ja aurinko pääsee paistamaan mutta tässä vaiheessa keväällä ei esilämmitystäkään enää tarvita.

Jos piiri on asennettu savimaahan rakennuksen alle, pysyttelee lämpötila, eli maan lämmönluovutuskapasiteetti lähes vakiona vuodenajasta riippumatta.

Talon ja routaeristealueen alle asennetusta maapiiristä saadaan kokemuksien perusteella riittävästi lämmitysenergiaa talvikaudellakin ainakin tilanteessa, jossa putki on asennettu yli 1,5 syvyydelle perustuksen alapinnasta. Maa ei myöskään lämpene kesäkaudella niin paljon kuin lähellä maanpintaa olevassa maapiirissä.

Tavallinen kiertovesipumppu riittää

Saatujen kokemusten perusteella (150-200m2 taloissa) piirin optimaalinen pituus IV-laitteeseen liitettynä on noin 200 metriä, jolloin 40mm putkessa virtaa 200 litraa nestettä.

Piirissä virtaavan nesteen virtausnopeudella ei ole havaittu olevan suurta merkitystä lämmöntuotossa, mutta jos virtaus aikaansaadaan pumpun tehoa kasvattamalla turbulenttiseksi, lämmönsiirto tehostuu. Nesteen kierrättämisen riittää tavallinen kiertovesipumppu, jonka 10-50W pumpputeho saa aikaan riittävän virtauksen.

Maapiiriin riittää tavallinen kiertovesipumppu. Järjestelmän ohjaus toimii automatikalla tai yksikertaisimmillaan pelkästään erillisestä katkaisimesta.

Maapiiriin riittää tavallinen kiertovesipumppu. Järjestelmän ohjaus toimii automatikalla tai yksikertaisimmillaan pelkästään erillisestä katkaisimesta.

Puolet viinaa ja loput vettä

Putkistossa käytettävän nesteen pakkasenkesto vaikuttaa järjestelmän tehoon, eli väkevämpi liuos heikentää lämmöntuottoa.  Eräs käytetty liuos on ollut mm. 50% etanoliseos, jolla pakkasenkesto on noin -30 astetta.

Vaikka maapiirin lämpötila liikkuu nolla asteen yläpuolella vuodenajasta riippumatta, pakkasenkestokaan ei ole merkityksetön seikka. Jos piirin nestekierto pysähtyy, puhaltaa IV-kone jääkylmää ilmaa lämmönvaihtimessa olevaan nesteeseen.

Aiemmin käytetty etyleeniglykoliseos maapiiriliuoksena on ympäristölle ja terveydelle haitallista ja johtaa huonommin lämpöä. Etanoliliuoksen ohella nykyisin käytetään lämmönsiirtoaineena myös propyleeniglykolia, jota ei pidetä terveydelle ja ympäristölle haitallisena.

Lupa odottaa tehoja mutta ei ihmeitä

Maaperän lämpötilan ollessa suhteellisen vakio ympäri vuoden, voidaan (varsinkin syvemmälle asennettua) maapiiriä käyttää myös tuloilman viilennykseen.  Vaikka jäähdytyksestä ei passiivisen järjestelmän ollessa kyseessä voida puhua, maapiirissä kiertävä neste kykenee pudottamaan helteellä tuloilman lämpötilaa silti jopa puolet.

On kuitenkin muistettava, että ilmanvaihtolaitteessa ja varsinkin riittämättömästi eritetyssä putkistossa tuloilma lämpenee uudelleen. Eli jos ulkoilma on helteellä noin +30 asteista ja lämmönvaihdin viilentää sen +15 asteiseksi, olisi se ilmanvaihtolaitteelta lähtiessään jo todennäköisesti noin +20 asteista.

Asia riippuu myös ilmanvaihtokanavan lämpöeristeistä, eli jos putkisto kulkee yläpohjassa riittämättömästi eristettynä, huoneisiin saapuva ilma lämpenee huomattavasti. Realistista on odottaa, että lämmönvaihdin kykenee pudottamaan huoneilmaa helteellä noin kolme astetta.

Tuloilman viilentämisen lisäksi vaihtimen pinnoilla poistuu lämpimästä tuloilmasta huomattava määrä kosteutta, joka sekin on erittäin merkittävä seikka huoneilman miellyttävyydelle.

Keväällä ja syksyllä on jaksoja, jolloin maapiirissä virtaava viileä neste viilentää tuloilmaa, vaikka sen ei ole toivottavaa. Jos varhain keväällä tuloilma lämpenisi auringossa +15 asteeseen ja lämmönvaihdin pudottaa lämpötilan puolella, tarvitaan sisällä lämmitystä tilanteen korjaamiseksi.

Kun jäähdytystarve loppuu elokuussa, kannattaa maapatterikierto sulkea ja laittaa käyntiin vasta pakkasten tultua. Samoin keväällä kovien pakkasjaksojen mentyä laite kannattaa pysäyttää ja ottaa käyttöön vasta kun viilennystä tarvitaan. Edellä mainittu ohjaus on mahdollista automatisoida erillisellä ohjelmoinnilla tai IV-kojeen automatiikalla.

Patteri ja automatiikka ilmanvaihtolaitteessa

Ilmanvaihtolaitevalmistaja Vallox Oy toimittaa vuosittain yli 500 jollakin tavalla maapiiriin liitettävää laitetta ja määrä on kasvussa. Yleensä nämä MLV-patterit liitetään maalämpöjärjestelmän keruupiiriin mutta tässä artikkelissa käsiteltäviä ns. passiivipiirejäkin rakennetaan enenevässä määrin.

Vallox Oy;n koulutuspäällikkö Ali Aaltosen kokemusten mukaan nämä ns. ”passiivipiiri” toimivat yleensä porakaivoa paremmin etulämmityskäytössä. Porakaivosta otettu neste taas toimii tehokkaammin viilennyskäytössä.

Kokemuksia maapiireistä on kertynyt niin hyviä kuin huonojakin. Yleisin harmin aihe lienee asiantuntemattomat asentajat sekä kuluttajien pettymys viilennystehoon kesähelteellä.

Aaltonen muistuttaa, että ilmanvaihtokoneen ilmamäärien mukana siirrettävä jäähdytysteho on rajallinen. Jos makuuhuoneeseen puhallettava ilma on kymmenen astetta huoneilmaa viileämpää, 12 l/s ilmamäärällä jäähdytysteho on vain 144 W, joten ollaan kaukana lämpöpumppujen useiden kilowattien tehoista.

MLV-patterin etulämmityksen teho riippuu ratkaisevasti keruupiiristä tulevan nesteen lämpötilasta ja tämä tulee huomioida keruupiirin mitoituksessa. Mikäli keruupiirin nesteen lämpötila laskee lämmityskaudella lähelle nollaa tai jopa pakkasen puolelle, teho pienenee oleellisesti.

Kanavalämmittimiä on saatavilla ilmavaihtoputkikokojen mukaisina Eräs nyrkkisääntö on valita ilmavaihtolaitteelle tulevaa putkea yhden pykälän isompi lämmitin, jotta se ei kuristaisi tuloilman virtausta järjestelmässä.

Kanavalämmittimiä on saatavilla ilmavaihtoputkikokojen mukaisina Eräs nyrkkisääntö on valita ilmavaihtolaitteelle tulevaa putkea yhden pykälän isompi lämmitin, jotta se ei kuristaisi tuloilman virtausta järjestelmässä.

 Faktat

  • Laitteisto on jokseenkin yksinkertainen, eli myös kohtuuhintainen. Itse lämpöenergia ja viileys ovat ilmaisia. Piiriin kannattaa asentaa automatiikka joka käynnistää ja sammuttaa pumppua tarvittaessa, sillä nollakeleillä kylmä etulämmityspiirin neste voi jopa jäähdyttää ulkoilmaa. Esimerkiksi Valloxin MLV-malleissa ilmanvaihtokoneelta saa ohjauksen pumpulle ja mahdollisille venttiileille.
  • Tuloilman esilämmityspiiri voidaan rakentaa maalämpöjärjestelmän oheen omaksi piirikseen, jolloin lämpö otetaan samasta kaivosta tai kaivannosta ja kuljetetaan ilmavaihtolaitteelle. Keruupiiristä tulevasta putkesta haaroitetaan putki ilmanvaihtokoneen esilämmityspatterille ja neste palautetaan keruupiiriin menevään putkeen. Kokonaan erillinen esilämmityspiiri koostuu noin 200 metristä putkea maassa, joka on asennettu metrin välein.
  • Maapiirin lisäksi järjestelmä koostuu tekniseen tilaan asennettavasta kiertovesipumpusta (10-50W), kalvopaisunta-astiasta, sekä kanavalämmittimestä ja suodattimesta ilmanvaihtojärjestelmän tulokanavassa.
  • Maapiirin mitoituksessa tulee huomioida talon koko, piirin koko, maaperän laatu, lämmönvaihtimen kapasiteetti ja ilmanvaihtokojeen pyörimisnopeus (ilmanvirtaus lämmönvaihtimen läpi). Vähintään 1 m putkea maassa/asuinneliö voisi olla jonkinlainen nyrkkisääntö.
  • Yksikertaisimmillaan tuloilman esilämmityksellä maapiiristä tavoitellaan siis vain pakkashuippujen poistoa IV-laitteen toiminnan optimoimiseksi ja kyseessä ei ole siis lämpöpumpulla tapahtuva ilman kuumentaminen ja sen siirtäminen huoneistoon. Toki esilämmitetty tuloilma vaikuttaa positiivisesti myös talon lämpimänä pitämiseen ja siten energiatalouteen.
Kesällä kostea ulkoilma kondensoituu lämmönvaihtimen pinnoilla, joten siitä on ohjattava kondenssivesiputki viemäriin. Kuvan laite on neljän vuoden käytön jäljiltä edelleen puhdas, eli ulkoilman epäpuhtaudet eivät näyttäisi aiheuttavan ongelmia.

Kesällä kostea ulkoilma kondensoituu lämmönvaihtimen pinnoilla, joten siitä on ohjattava kondenssivesiputki viemäriin. Kuvan laite on neljän vuoden käytön jäljiltä edelleen puhdas, eli ulkoilman epäpuhtaudet eivät näyttäisi aiheuttavan ongelmia.

Suunnittelijan kokemuksia

Diplomi-insinööri Arto Kivioja työskentelee Oulun seudulla pientalorakentamisen parissa. Hänellä on kokemusta IV-laitteiden maapiirien asennuksesta jo yli kymmenessä kohteessa.

Kiviojan mielestä järjestelmän rakentaminen on yksikertaisinta talon perustamisvaiheessa. Maapiirejä on asennettu sekä talon alle  (jopa 4,5 metrin syvyydelle), että 120mm syvyyteen tontille.

Kivioja laskeskelee, että järjestelmän perustamiskustannuksiksi tulee noin 2000 euroa (ilman iv-putkiston eristämiskustannuksia), jonka jälkeen lämpöä ja viileää saadaan kiertovesipumpun kuluttaman sähkön (n.40w) hinnalla.

Maapiirin tulo- ja menoputki vedetään teknisen tilan lattiaan, josta sen ohjataan ulkoilmakanvaan asennettuun lämmönvaihtimeen.

Maapiirin tulo- ja menoputki vedetään teknisen tilan lattiaan, josta sen ohjataan ulkoilmakanvaan asennettuun lämmönvaihtimeen.

Toiminnassa olevan laitteen erityinen hyöty on myös Kiviojan mukaan siinä, että IV-laitteen jäätymisongelmista on päästy eroon. Laitteistot ovat toimineet läpi talven myös ilman jälkilämmitystarvetta, joten sähkönsäästö on oleellinen.

Lämmönvaihtimen ansiosta kesähelteillä ulkoilmasta poistuu kosteutta. Jotta viilennysteho ulottuisi huoneistoihin saakka Kivioja korostaa tuloilmakanavien riittävää eristämistä, joka hidastaa viilennetyn tuloilman lämpenemistä kanavassa.

Kiviojan seurantakohteissa on tarkkailtu talon alle asennetun maapiirin paluuputkistossa virtaavan nesteen lämpötilaa ja se on jäänyt 0-asteen yläpuolelle, joten maan jäätymistä ei ole odotettavissa.

Taulukko

Oheisessa talukossa on maapiirin ja IV-koneen lämpötiloja. Kyseessä on 2008 valmistunut omakotitalo matalaenergiarakenteella. Huoneistoala 150 m2, IV-koneena Enervent Peligan eco greenair HP, kanavalämmitin Veab 250mm, lattialämmitys ja kaukolämpö.

Päivämäärä 14.11.2010 19.12.2010 13.2.2011 27.3.2011 10.07.2011
Tuloilma ulkoa lämmönvaihtimelle -2 -17 -24 -4 +31
Tuloilma IV-koneelle +4 +1 -3 +1,5 +13
Tuloilma IV- koneelta sisälle +21 +20 +19 +20,5 +15,5
Huoneenlämpö      +23     +23        +22     +25    +25
Poistoilma IV-koneelle +23 +22 +22 +22,5 +26
Maapiiri tulo        +7      +4          +2      +3      +8
Maapiiri paluu        +6       +3          +1      +3    +12
IV teho (60% = 110L/s) 55% 50% 45% 50% 60%

Huomioita taulukosta:

  • Ensimmäinen sarake on käytännössä ulkolämpötila ja toisessa sarakkeessa havaitaan maapiiriin liitetyn kanavalämmittimen vaikutus ulkoilman lämpötilaan.
  • Kolmannessa sarakkeessa havaitaan tehokkaan ilmanvaihtokoneen lämmön talteenoton vaikutus. Kesäaikana talteenottoa voidaan rajoittaa viilennyksen tehostamiseksi.
  • Tuloilmaa koneelta sisälle ohjataan iv-koneen automatiikalla, joka kesäaikana ohittaa talteenoton ja siten maaviilennys saadaan tehokkaasti käyttöön
  • Kovalla pakkasella (-24 astetta), lämmönvaihdin kykenee nostamaan tuloilman lämpötilaa huomattavat 21 astetta.
  • Helteellä (+31 astetta) maapiiri kykenee laskemaan lämpötilaa 18 astetta. Lämmön talteenotto ei ole käytössä, joten poistoilma ei lämmitä tuloilmaa. Helteellä huonelämpötila on +25 astetta, mutta sen miellyttävyyttä parantaa merkittävästi vaihtimella alentunut kosteusprosentti.
  • IV-koneen lämpöpumppu ei ole ollut käytössä näiden mittaustulosten aikana
Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

w

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s