Tutkimuksen tarkoitus oli kartoittaa Östersundomin aluerakennuskohteen aurinkoenergian lämmönvarastointimahdollisuuksia sekä selvittää varastoinnin kustannukset ja ympäristövaikutukset. Östersundomin alue itäisessä Helsingissä on nykyisellään maaseutua, josta pyritään tekemään kaupunkialuetta. Alueen suunnittelussa on keskitytty uusiin, innovatiivisiin energiaratkaisuihin, jotka otetaan huomioon jo esirakennusvaiheessa. Osana alueen energiaratkaisuna pyritään toteuttamaan myös lämmönvarastointia, joka mahdollistaisi kesällä kerätyn aurinkoenergian käytön talvella, kun lämmitystarve on suurin.
Työn tavoitteena oli selvittää lämpövarastoinnin potentiaalia Östersundomin alueella. Selvitys suoritettiin tutkimalla olemassa olevaa tietoa ja mallinnuksen avulla. Aiempi aiheen tutkimus on keskittynyt pääasiassa matalan lämpötilan varastoihin, kuten porakaivovarastoihin ja akviferivarastoihin, jotka tarvitsevat lämpöpumpun. Tässä työssä keskityttiin pääasiassa korkean lämpötilan varastoihin, joiden lämpöä voitaisiin käyttää suoraan lämmitykseen. Tutkimuksissa on selvitetty lämmönvarastoinnin vaikutuksia saveen. Tutkimuksista käy ilmi, että vaikutukset leikkauslujuuteen ja vesipitoisuuteen ovat pieniä. Suurin vaikutus varastoinnilla on saven painumiseen.
Mallinnuksessa keskityttiin energiapaaluvarastoon Östersundomin savimaalla. Mallinnus toteutettiin COMSOL-Multiphysics -ohjelmalla, jonka avulla rakennettiin useita malleja energiapaalusta. Mallien avulla selvitettiin, että paras putkikonfiguraatio lämmönvarastoinnin kannalta on W-putki, jonka tilavuusvirtaus on 0,324 m³/h. Mallinnuksesta kävi myös ilmi, että saven lämmönjohtavuudella on suuri vaikutus varaston toimintaan. Mallin pohjalta varaston toiminta tehostuu ensimmäisistä sykleistä. Kymmenennellä syklillä paalun tehokkuus oli 11 % parempi kuin neljällä ensimmäisellä syklillä. Mallinnuksessa tutkittiin myös energiapaalun toimintaa osana kaukolämpöverkkoa. Yksittäinen energiapaalu ei pystynyt kymmenen syklin aikana nostamaan saven lämpötilaa riittävästi. Yhdeksän energiapaalun yhteisvaikutusta kuvaavasta mallista kävi ilmi, että energiapaaluvarastolla on mahdollista yltää tavoiteltuun 70 °C lämpötilaluokkaan, ja varastolla saadaan lämmitettyä kaukolämpöverkon paluuvettä.
Mallin pohjalta laskettiin myös energiapaaluvaraston alustavat investointikustannukset. Energiapaalun kustannukset ovat noin 2000 € suuremmat paalua kohti kuin normaalissa paalutuksessa. Verrattuna teräsakkuun energiapaaluvaraston kustannukset suhteutettuna lämpömäärään ovat moninkertaiset. Varastoinnin ympäristövaikutukset ovat hyvin vaikeita arvioida. Alueen rakennettavuudelle ei varastoinnista mallin perusteella ole esteitä. Varaston lämpöhäiriö ulottuu noin 50 m päähän varastosta, joten sen reuna tulee sijoittaa tarpeeksi kauan saven muutoksille herkistä kohteista.
Jatkotutkimuksissa tulee teettää kattava geologinen tutkimus alueesta, sillä saven ominaisuuksilla ja pohjaveden virtauksilla on suuri merkitys varastointiin. Lisäksi mallin tulokset tulee todentaa kenttätutkimuksin. Myös mallia tulisi laajentaa kattamaan useita kymmeniä energiapaaluja, jolloin varaston yhteisvaikutuksista saadaan parempi kuva. / The aim of this research was to research the possible heat storage solutions for the housing scheme of Östersundom and to determine the costs and environmental impacts of the storage. The area of Östersundom is located in eastern Helsinki. At its present state it is largely countryside, but the aim is to build it into a city. New, innovative energy solutions have been a main focus in planning the area. Solar energy is a big part of the planned energy solutions of the area. Seasonal heat storage is also a part of the planned solar energy production. Seasonal heat storage would make solar energy collection more feasible, as energy could be used during the winter, when the demand for energy is the highest.
The research was conducted partly by assessing past research and partly by modelling the operation of a heat store. The previous research focused mostly on low temperature heat storages, the operations of which require a heat pump. In this research the focus was on high temperature heat storage technologies where the heat from the store can be directly used in heating. Past research has been made in order to determine the effects of heat storage on clay. The effects on shear strength and water content are minor. The most notable effect on clay is the settlement inside the store.
The modelling part of the research was focused on a heat store consisting of energy piles in the clay areas of Öster-sundom. The modelling was done by using COMSOL-Multiphysics to create models of energy piles for the conditions of östersundom. Using the models it was determined, that the ideal pipe configuration for heat storage is a W-pipe with a flow of 0,324 m³/h. It was also determined that the heat conductivity of clay has a significant effect on the storage. The model also showed that the operation of the pile improves after the first cycles. The efficiency of the pile is 11 % in the 10th cycle than it is in the first four cycles. Another model was created in order to examine the performance of an energy pile in the district heating system. A single pile was not able to produce enough heat for the district heating network in ten cycles. The model consisting of nine energy piles showed that the combined effect of the piles in the district heating network was able to heat the clay to the targeted temperature class of 70 °C. The model also confirmed that energy piles can be used to store heat for the district heating system.
Using the modelling results, preliminary cost analysis of the energy pile store was made. The expenses of the energy pile are about 2000 € larger for a single pile than in normal foundations. Compared to a steel tank store the cost of stored energy per unit of heat is a lot larger. The environmental effects of heat storage are hard to determine. Heat storage causes no restrains for the construction of the area. The heat disturbance of the store reached 50 m from the edge of the store. The store has to be placed an adequate distance away from areas, in which a slight disturbance in the clay can have consequences.
Further research is needed to determine the feasibility of heat storage in energy foundation in Östersundom. A comprehensive geological study is needed because the properties of the clay and groundwater flows have a significant effect on heat storage. The model should also be certified by field experiments. The model should also be expanded to cover more energy piles, as the combined effects would give better estimates on the performance of energy foundations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:nbnfioulu-201405281518 |
| Date | 02 June 2014 |
| Creators | Ojala, M. (Mikko) |
| Publisher | University of Oulu |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | Finnish |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © Mikko Ojala, 2014 |
Page generated in 0.0117 seconds