Kaukolämpöä tutkimassa

Kaukolämmön matalampi siirtolämpötila pienentää lämpöhäviötä ja parantaa järjestelmään kytkettyjen lämmönlähteiden tehokkuutta. Muutos kohti matalampia siirtolämpötiloja vaatii kuitenkin suunnitteluun uutta ajattelua.

Miika Rämän väitöskirja valmistui syksyllä 2020. Väitöskirjan nimi on District heating with low-carbon heat sources and low distribution temperatures, suomeksi Vähähiiliset lämmönlähteet ja matala siirtolämpötila kaukolämpöjärjestelmissä.

Rämä on työskennellyt Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä vuodesta 2005 lähtien. Väitöskirjan aihe syntyi nykyään tutkimustiimin päällikkönä toimivan Rämän ja hänen tiiminsä kaukolämpöön ja sen tutkimiseen liittyvistä pohdinnoista. Pohdinnoissa keskeisiksi nousivat matalat siirtolämpötilat.

– Olen tutkinut kaukolämpöä ja -jäähdytystä VTT-urani alkuajoista asti, Rämä kertoo. – Meillä on tutkimuksessa usein järjestelmänäkökulma. Katsomme kokonaisuutta eli yhteistä hyvää.

Yksittäisenä tekijänä kaukolämmön matalampi siirtolämpötila mahdollistaisi Rämän mukaan hukka- ja uusiutuvien lämmönlähteiden laajemman mittakaavan hyödyntämisen kaukolämpöjärjestelmissä. Tie siihen on kuitenkin pitkä: rakennuskanta on suurelta osin olemassa, ja uusia ratkaisuja täytyy tuoda mukaan vähitellen.

– Kiinteistöt ovat avainasemassa. Niiden kohdalla tehdään päätökset siitä, millainen siirtojärjestelmän lämpötilataso on mahdollinen.

Kustannukset ja hyödyt tasapainoon

Rämän mukaan lämpötilatasoja voitaisiin laskea mitoituslämpötiloista tiettyyn pisteeseen jo nyt. Muutosta hidastavaksi tekijäksi hän epäilee toimivaa nykytilannetta: Suomen kaukolämpöjärjestelmä on kansainvälisesti verrattuna erittäin hyvä.

– Suomessa kaukolämpöyhtiöt ovat syystäkin ylpeitä omista järjestelmistään ja suhtautuvat muutosehdotuksiin siksi ehkä vähän epäilevästi, Rämä pohtii.

Rämä painottaa myös kustannusten ja hyötyjen tasapainottamista: siirtymä matalampiin siirtolämpötiloihin tuo hyödyt pääosin tuotannolle ja osaksi siirrolle, mutta kustannukset rakennuksille ja osin siirrolle. Kiinteistönomistajat ja rakennuttajat tarvitsevat kuitenkin selkeän kannustimen asioiden muuttamiseen.

Rämä tutki myös ydinkaukolämpöä: sen mahdollisuudet vaativat Euroopan tasolla ajateltuna itse kaukolämpöjärjestelmän kehittämistä ensin. Järjestelmän täytyy olla riittävän suuri.

Järjestelmiä kannattaisi Rämän mielestä kehittää Euroopan tasolla kuitenkin ydinkaukolämmöstä riippumatta. Esimerkiksi Keski- ja Etelä-Euroopan tiheästä kaupunkiasutuksesta tulee paljon lämpökuormaa.

– Laitokset eivät ole useinkaan kovin lähellä kaupunkeja. Ydinvoimalaitoksen ja kaupungin välisen siirtolinjan investointi on iso ja taloudellisesti järkevä vain korkealla käyttöasteella. Ja esimerkiksi Pariisissa on monta erilaista kaukolämpöjärjestelmää, joita kannattaisi ehdottomasti yhdistää ja kehittää.

Järjestelmien toiminta optimaaliseksi

Rämän mukaan olemassa olevien vanhojen rakennusten lämmönjakelujärjestelmissä on paljon ylimitoitusta, esimerkiksi lämmönsiirtimissä. Kaukolämmön tapauksessa patteriverkosto ei ehkä ole tasapainossa, tai kaikki radiaattorit eivät toimi oikein. Voi olla juuttuneita venttiilejä tai korjattavaa kunnossapidossa.

Tämä mahdollistaa Rämän mukaan jo sinällään sen, että nykyisin käytettyjä matalammat siirtolämpötilat riittäisivät.

Miksi järjestelmien optimaaliseen toimintaan ei sitten kiinnitetä enempää huomiota? Ehkä siksi, ettei se ole välttämätöntä, Rämä arvelee. Asukkaalla voi olla lämmintä ja kaikki hyvin, vaikka järjestelmä ei toimisi optimaalisesti.

– Jotkut kaukolämpötoimijat sanovat, että ongelmia olisi vähemmän, jos kaikki toimisi suunnitellusti. Todellisuus on usein vähän toisenlainen kuin se, mitä suunniteltiin, Rämä sanoo.

Pulmaa ratkotaan Rämän mukaan Suomessa konkreettisilla kannustinkeinoilla: jo useassa kaukolämpöyhtiössä kuluttaja saa energian hinnasta alennusta laitteiden toimivuuden eli kaukolämmön jäähtymän perusteella.

Menetelmiä mallinnukseen

Kaukolämpö on parhaimmillaan tiheästi asutuilla kaupunkialueilla. Alueiden paikalliset resurssit ja erityispiirteet muokkaavatkin merkittävästi sitä, minkälainen lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmä alueelle sopii.

– Jotta matalalämpötilasiirtoon päästäisiin, uudet alueet tulisi ehdottomasti toteuttaa sille mitoitetulla rakennusten lämmitysjärjestelmillä, Rämä sanoo.

Kaukolämmön matalamman siirtolämpötilan käytössä haasteeksi muodostuu lämpötilatason ylläpitäminen. Korkeampi lämpötila antaa enemmän liikkumavapautta: vesi voi viilentyä verkossa kauempana tuotantolaitoksesta, eikä se heikennä rakennusten lämmitysjärjestelmien toimintaa.

Matala lämpötilataso antaa lämpötilasäädön suhteen vähemmän liikkumavaraa, jolloin kaukolämpöyhtiöiden täytyy tuntea verkkonsa lämpötilatasot nykytilannetta paremmin. Siksi Rämä pitää kaukolämpöverkon mallinnuksen menetelmien kehittämistä oleellisena.

– Kaukolämpöyhtiöissä suurin insentiivi tähän voi tulla lämpöpumppupohjaisesta tuotannosta. Vaikka ei mentäisi supermataliin lämpötiloihin, lämpötila vaikuttaa merkittävästi lämpöpumppujen tehokkuuteen ja sitä kautta taloudellisuuteen.

Lämpöpumppuja vai aurinkoenergiaa?

Rämä vertaili tutkimuksessaan myös aurinkokeräinten liittämistä keskitetysti suoraan kaukolämpöverkkoon sekä talokohtaista ratkaisua. Keskitetty oli selvästi parempi vaihtoehto: ne tuottivat samoilla investointikustannuksilla lämpöä 4–5 kertaa enemmän hajautettuihin rakennuskohtaisiin keräimiin verrattuna.

Hajautettujen ratkaisujen etu lämmön tuottamisesta suoraan kohteeseen ei riittänyt kumoamaan investointikustannusten eroa.

Lämpöpumput taas osoittautuivat Rämän tutkimuksessa teknis-taloudellisesti ylivoimaiseksi ratkaisuksi verrattuna keskitettyihin aurinkokeräimiin. Useissa tapauksissa aurinkopaneelien ja lämpöpumppujen yhdistelmä tuli pelkkiä aurinkokeräimiä edullisemmaksi.

– Aurinkokeräinten kustannustaso ei ole laskenut niin voimakkaasti kuin aurinkopaneelien. Lämpöpumppujen käyttäminen taas on niin halpaa, että niitä käytettiin tutkitussa järjestelmässä melkein ympäri vuoden. Aurinkokeräimet tuottivat lämpöenergiaa etupäässä kesäaikaan ja investointiin nähden paljon lämpöpumppuja pienemmän energiamäärän, Rämä kertoo.

Rämä muistuttaa kuitenkin, että Suomessa tehdään aika harvoin uutta optimaalista järjestelmää täysin puhtaalta pöydältä. Tavallisemmin mietitään esimerkiksi tuotannon tehostamista ja uusiutuvien määrän lisäämistä olemassa olevaan järjestelmään. Parhaan järjestelmän valinta on siksi aina tapauskohtaista: eri tuotantomuodot vaikuttavat olemassa olevaan järjestelmään eri tavoin.

– Tältä kannalta katsottuna aurinkolämpö voi joskus olla ihan hyvä vaihtoehto korvaamassa tehottominta ja päästöiltään suurinta vaihtoehtoa. Teknisesti aurinkolämpö on hyvä ja kypsä teknologia.

Matalasta siirtolämpötilasta hyötyvät tutkimuksen mukaan sekä lämpöpumput että aurinkokeräimet.

Uutta ajattelua suunnitteluun

Järjestelmien kehittyminen kohti matalia siirtolämpötiloja vaatii Rämän mukaan asian ymmärtämistä suunnittelussa. Lämmityspuolen lämmönsiirtimiin tarvitaan esimerkiksi enemmän lämmönsiirtopintaa, jotta ne ovat yhteensopivia matalien siirtolämpötilojen kanssa.

Rämä painottaa erityisesti lattialämmityksen merkitystä. Se toimii matalammilla lämpötilatasoilla ja on siksi suoraan yhteensopiva matalamman siirtolämpötilan kanssa.

– Jotta kokonaisuus lähtee kehittymään, kaikkien osapuolten täytyy tehdä jotain: asiakkaiden, kiinteistönomistajien, kaukolämpöyhtiön, viranomaisten, rakennuttajien ja suunnittelijoiden. Asunnon hintaan lattialämmitys tai pattereiden isompi lämmönsiirtopinta eivät kokemukseni mukaan tee valtavaa eroa, Rämä sanoo.

Pattereissa ja muissa lämmönjakelujärjestelmissä pitäisi Rämän mukaan päästä niin mataliin mitoituslämpötiloihin kuin mahdollista. Yksi määrittävä tekijä järjestelmän lämpötilatasojen suhteen on käyttövesi, jonka vaatimuksia korkeampia lämpötiloja tarvitaan lämmitykseen harvoin, jos lainkaan.

Suuremmilla resursseilla Rämä olisi väitöskirjassaan tutkinut vielä pidemmälle: mallintanut esimerkiksi eri lämmönlähteitä hyödyntäviä lämpöpumppuja enemmän ja tarkemmin.

– Olisin halunnut sekoittaa enemmän eri tuotantomuotoja: ydinkaukolämpöä, lämpöpumppuja ja aurinkokeräimiä, nähdä monimutkaisempien järjestelmien toimintaa. Sitä työtä on jatkettu väitöskirjan jälkeen.

Grafiikka Rämän väitöskirjasta kuvaa talojen sisällä olevan lämmitysjärjestelmän menolämpötilan vuoden ympäri sekä sen, monenako tuntina se ylittää tietyn asteluvun. Esimerkkivuonna yli 50 astetta tarvittiin vain noin 500 tuntina vuodessa. Grafiikka: Miika Rämä