Maalämpöjärjestelmän energiakaivokentän lataus vesi-ilmalämpöpumpun avulla
Karjala, Jaakko (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025041729015
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025041729015
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia maalämpöpumppujärjestelmän energiakaivokentän käyttäytymistä, kun järjestelmän rinnalle asennetaan vesi-ilmalämpöpumppu, jonka tuottama energia ohjataan energiakaivokenttään, mikäli kiinteistön energian tarve on pienempi, kuin vesi-ilmalämpöpumpun tuotto. Tutkimustyössä verrattiin erään Helsingissä sijaitsevan asunto osakeyhtiön energiakaivokentän simulointituloksia, tutkimustyössä tehtyihin simulointituloksiin. Simuloinnit laaditaan EED ohjelmalla ja simuloinnit suoritetaan 25 vuoden simulointijaksoilla. Tutkimustyötä varten rakennetaan 5 erilaista vertailutilannetta, joissa vesi-ilmalämpöpumppua käytetään eritavoin. Eri simulaatioissa, energiakaivokentän kokonaissyvyys asetetaan siten, että simulointien lopputuloksissa päädytään samoihin lämpökaivoissa kiertävään lämmönkeruunesteen minimi- ja maksimilämpötiloihin, kuin vertailukohteeseen tehdyssä simulointituloksissa oli päädytty. Muuttujina olivat vesi-ilmalämpöpumpun tuottama energiamäärä sekä energiakaivojen syvyys. Energiakaivojen lukumäärä pidetään kaikissa simuloinneissa samoina.
Tutkimus rajataan koskemaan pelkästään energiakaivojen lämpötasapainoa, eikä esimerkiksi lämpöpumppujärjestelmän kokonaislämpökerrointa taikka sähköenergian kulutusta mallinnettu.
Tuloksien perusteella, maalämpöpumppuja varten rakennettava energiakaivokenttä voi olla merkittävästi pienempi, mikäli energiakaivokenttää voidaan ladata lämmityskauden ulkopuolella. Tutkimusta varten mallinnettiin kiinteistön energiankulutus tarkkaan, jonka perusteella pääteltiin, että käyttöveden vaatima tehon tarve on noin 50 kW, joka valikoitui myös vesi-ilmalämpöpumpun tehoksi. Tämä siitä syystä, että vesi-ilmalämpöpumpulla olisi teoreettinen mahdollisuus tuottaa kesäaikana käyttöveden vaatima energian tarve.
Tutkimustulokset osoittavat myös, että liian pieneksi mitoitettujen energiakaivokenttien tapauksessa, vesi-ilmalämpöpumppujen avulla voidaan elvyttää nykyisiä energiakaivokenttiä. The purpose of this master’s thesis was to study the behavior of a geothermal heat pump system’s borehole field when a water-air heat pump is installed alongside it. The energy produced by the water-air heat pump was directed to the borehole field whenever the property’s energy demand was lower than the output of the water-air heat pump. The study compared simulation results from the borehole field of a residential housing company located in Helsinki with simulations performed as part of this research. The simulations were conducted using the EED software over 25-year simulation periods. Five different comparison scenarios were created for the study, where the water-air heat pump was used at varying capacities. The simulation results aimed to achieve the same minimum and maximum temperatures for the heat transfer fluid circulating in the boreholes. Variables included the amount of energy produced by the water-air heat pump and the depth of the boreholes, while the number of boreholes remained the same across all simulations.
The study was limited to examining the thermal balance of the boreholes, excluding, for example, modeling the overall coefficient of performance (COP) of the heat pump system or its electricity consumption.
Based on the results, the borehole field required for geothermal heat pumps can be significantly smaller if the borehole field can be charged outside the heating season. For the study, the property’s energy consumption was carefully modeled, which led to the conclusion that the power demand for domestic hot water is approximately 50 kW. This value was also chosen as the capacity for the water-air heat pump, as it would theoretically allow the heat pump to meet the domestic hot water energy needs during the summer.
The results also indicate that in cases where the borehole field is undersized, water-air heat pumps can be used to restore and improve the performance of existing borehole fields.
Tutkimus rajataan koskemaan pelkästään energiakaivojen lämpötasapainoa, eikä esimerkiksi lämpöpumppujärjestelmän kokonaislämpökerrointa taikka sähköenergian kulutusta mallinnettu.
Tuloksien perusteella, maalämpöpumppuja varten rakennettava energiakaivokenttä voi olla merkittävästi pienempi, mikäli energiakaivokenttää voidaan ladata lämmityskauden ulkopuolella. Tutkimusta varten mallinnettiin kiinteistön energiankulutus tarkkaan, jonka perusteella pääteltiin, että käyttöveden vaatima tehon tarve on noin 50 kW, joka valikoitui myös vesi-ilmalämpöpumpun tehoksi. Tämä siitä syystä, että vesi-ilmalämpöpumpulla olisi teoreettinen mahdollisuus tuottaa kesäaikana käyttöveden vaatima energian tarve.
Tutkimustulokset osoittavat myös, että liian pieneksi mitoitettujen energiakaivokenttien tapauksessa, vesi-ilmalämpöpumppujen avulla voidaan elvyttää nykyisiä energiakaivokenttiä.
The study was limited to examining the thermal balance of the boreholes, excluding, for example, modeling the overall coefficient of performance (COP) of the heat pump system or its electricity consumption.
Based on the results, the borehole field required for geothermal heat pumps can be significantly smaller if the borehole field can be charged outside the heating season. For the study, the property’s energy consumption was carefully modeled, which led to the conclusion that the power demand for domestic hot water is approximately 50 kW. This value was also chosen as the capacity for the water-air heat pump, as it would theoretically allow the heat pump to meet the domestic hot water energy needs during the summer.
The results also indicate that in cases where the borehole field is undersized, water-air heat pumps can be used to restore and improve the performance of existing borehole fields.