Luonnonvedet hyötykäyttöön

Vaikka luonnonvesien hyödyntämisellä on pitkät perinteet eri järjestelmissä, liittyy niiden käytännön toteuttamiseen monta sudenkuoppaa, johon voi pudota. Tässä artikkelissa on esitetty ratkaisuja, joiden avulla voi välttää ainakin suurimmat noista kuopista.

Viime aikoina mielenkiintoa luonnonvesien lisähyödyntämiseen on kasvattanut sähköenergian kallistuminen. Luonnonvesiin varastoituu merkittäviä määriä aurinkoenergiaa, jolle olisi runsaasti käyttöä kylminä talviaikoina.

Aiemmin vesistöihin varastoituneen energian hyödyntämisen suurimpana esteenä oli sopivan tekniikan puuttuminen tai sen kalleus. Tänä päivänä lämpöpumppujen kehittymisen myötä ei tätä ongelmaa enää ole.

Luonnonvesiä käytettäessä on aina syytä muistaa, että vaikka kuinka olisi omasta mielestään ottanut kaiken olennaisen huomioon suunnittelussa ja toteutuksessa, ei järjestelmä välttämättä toimikaan aivan suunnitellulla tavalla. Tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että puhdistamattoman veden roskaisuutta tai humus- ja ilmapitoisuutta ei etukäteen voi tarkasti tietää.

Niinpä järjestelmä tulee aina varustaa riittävällä määrällä sulkuventtiilejä, anturitaskuja sekä mittaus- ja pesuyhteitä, jotta järjestelmän virittely on mahdollisimman helppoa jälkikäteen.

Ja mikä tärkeintä, virittelyyn ja oikeiden säätöjen löytämiseen tulee varata riittävästi aikaa ja rahaa jo budjetointivaiheessa.

Luonnonvesien käyttö rakennusten jäähdytyksessä

Luonnonvesiä käytetään rakennuksissa jäähdytyskoneiden lauhde-energian poistamiseen ja tilojen vapaajäähdytykseen. Teollisuudessa yleisin käyttökohde on erilaisten prosessien jäähdytys.

Järjestelmät toteutetaan useimmin välillisinä. Puhdistamatonta luonnon vettä ei viedä suoraan jäähdytettävään kohteeseen, vaan luonnonveden ja jäähdytettävän kohteen välillä on erillinen lämmönvaihdin.

Järjestelmän välillisyys kasvattaa sen hankintahintaa hieman, mutta parantaa toimintavarmuutta, koska puhdistamaton luonnonvesi saadaan rajattua omaan piiriinsä. Tällöin järjestelmän päälaitteiden jäähdytysvesipiirissä voidaan käyttää suljettua kiertoa ja puhdasta vettä.

Jäähdytyskoneiden lauhduttamisessa ja prosesseja jäähdytettäessä välillisyydellä varmistetaan, että ongelmatilanteissa ei vesistöön pääse vuotamaan esimerkiksi öljyistä kylmäainetta tai jotain muuta ympäristölle haitallista ainetta. Välillisyydellä saavutetaan jäähdytyskoneen lauhduttimelle vakiovirtaama, mikä parantaa jäähdytyskoneen toimintaa.

Luonnonvesien käyttö lämpöpumpun lämmönlähteenä

Luonnonvesien suora käyttö lämpöpumppujen lämmönlähteenä Suomessa on ollut vähäistä, koska vesistöjen veden lämpötilat laskevat talviaikoina niin alhaisiksi, ettei niistä voi enää ottaa lämpöä talteen ilman vaaraa veden jäätymisestä lämmönvaihtimessa.

Vesistöjen pohjalla veden lämpötila on yleensä luokkaa +1–+3 °C ja virtaavan veden, kuten koskien ja jokien, lämpötila laskee kylmimpinä aikoina alle +1 °C. Näin kylmistä vesistä lämmön talteenotto edellyttää niin suuria virtaamia ja putkikokoja, ettei se ole taloudellisesti kannattavaa.

Näissä kytkennöissä lämpö tuotetaan lämpöpumpulla niin pitkään kuin mahdollista. Kun lämpöpumpun lämmöntuotto yksistään ei enää riitä, kytkeytyy primäärijärjestelmä lämpöpumpun rinnalle (tai sarjaan) tuottamaan lämpöä.

Kun lämpöpumpulla ei enää kyetä tuottamaan lämpöä, se sammutetaan ja kaikki lämpö tuotetaan primäärijärjestelmällä. Lämpöpumppu käynnistetään jälleen, kun lämmönlähteen lämpötila nousee riittävän korkeaksi. Käytännössä lämpöpumppu seisoo noin 2–3 kuukautta vuodesta Etelä-Suomen alueella. Pohjois-Suomessa seisokki on jonkin verran pidempi.

Edellä kuvatun toiminnan vuoksi ei luonnonvettä suoraan lämmönlähteenä käyttävää lämpö-pumppua voi valita kiinteistön ainoaksi lämmitysjärjestelmäksi. Sen rinnalla tulee aina olla toinen, täydelle teholle mitoitettu lämmitysjärjestelmä. Samasta syystä lämpöpumppua ei kannata mitoittaa täydelle lämmitysteholle. Järkevä teho-osuus on luokkaa 20–30 % kiinteistön maksimilämmitystehosta.

Luonnonvesiä suoraan lämmönlähteenä käyttäviä lämpöpumppuja on Suomessa rakennettu ai-nakin vedenpuhdistamoihin ja kauppakeskuksiin. Näissä primääri lämmitysjärjestelmänä on ollut kaukolämpö, jonka rinnalle lämpöpumppu on rakennettu jälkikäteen pienentämään kaukolämmön kasvaneita kustannuksia.

Alhaiset käyttökulut

Luonnonvesiä käytettäessä tarvittavien laitteiden määrä on vähäinen, lämmönsiirto on merkittävästi tehokkaampaa ja sähkönkulutus on vähäisempää kuin ilmaa käytettäessä. Myös vapaa-jäähdytyskausi on merkittävästi pidempi kuin ilmajärjestelmissä.

Perinteisessä ilmastoinnin jäähdytyksessä luonnonvesiä hyödyntävän järjestelmän käyttökulut ovat kokemusten mukaan 40–50 % edullisemmat kuin perinteisen ilmajäähdytteisen järjestelmän. Etuna on lisäksi, että luonnonvesijärjestelmä ei aiheuta ääntä ympäristöönsä.

Ympäri vuoden jäähdytysenergiaa kuluttavissa kohteissa, esim. prosessiteollisuudessa ja laitesaleissa, on luonnonvesijärjestelmällä mahdollista saavuttaa jopa 70–80 % vuotuiset säästöt käyttökustannuksissa perinteisiin järjestelmiin verrattuna.

Luonnonvesiä lämmönlähteenä suoraan käyttävä lämpöpumppu pystyy tuottamaan 40–60 % kiinteistön tarvittavasta lämmitysenergiasta. Käyttökustannuksissa säästö on luokkaa 30–40 % sähkönhinnasta ja lämpöpumpun lämpökertoimesta riippuen.

Hyödyntäminen vähäistä

Suuressa osassa kohteita ei luonnonvesien hyödyntäminen yksinkertaisesti ole mahdollista, koska vesistöä ei ole lähellä. Hyödyntämistä rajoittavat myös ennakkoluulot ja käytön luvanvaraisuus.

Yksi merkittävä este käytön yleistymisen lisääntymiselle on luonnonvesijärjestelmiin liittyvän tie-totaidon väheneminen niin suunnittelu- kuin toteuttajapuolen henkilöiltä. Järjestelmiä pidetään vaikeina suunnitella ja kalliina toteuttaa. Lisäksi luonnonvesijärjestelmiä pidetään likaisina ja työ-läinä ylläpitää.

Asiat eivät kuitenkaan ole niin vaikeita kuin annetaan ymmärtää. Ratkaisut ovat todellisuudessa melko yksinkertaisia.

Vedenotto vesistöstä

Vedenotto vesistöstä rakennukseen voidaan toteuttaa kahdella pääperiaatteella: vesi tulee vietolla rakennukseen tai se imetään vesistöstä pumpulla.

Suositeltavin vaihtoehto on vietolla toteutettu vedenotto. Siinä vesi siirtyy vesistöstä rakennukseen veden korkeuseron aiheuttaman staattisen paineen avulla. Vesi ohjataan joko erilliselle vesialtaalle tai kaivoon, josta se pumpataan edelleen eteenpäin.

Vedenottoputki voidaan toteuttaa esim. kuvassa 1 esitetyn keruutukin avulla, joka upotetaan vesistön pohjaan. Keruutukissa on hyvä olla enemmän kuin yksi vesilinja, josta vesi pääsee virtaamaan. Vesilinjoissa tulee myös olla karkea suodatus suurempia partikkeleita, kuten kaloja, varten.

Vedenotto voidaan toteuttaa myös pelkällä putkella, mutta tällöin on syytä varautua altaan tai kaivon säännöllisiin puhdistuksiin.

Aina ei kuitenkaan ole mahdollista tuoda vettä rakennukseen vieton avulla. Tällöin vesi joudutaan pumppaamaan vesistöstä pumpun ja imuputken avulla. Pumpulla vettä imettäessä tulee aina huomioida pumpun imulaipan ja vesistön pinnan välinen korkeusero, estää jollain tavalla imuputken tyhjeneminen pumpun pysähtyessä sekä puhdistamattoman veden mahdollinen roskaisuus.

Pumpun imulaipan ollessa vesistön pintaa korkeammalla tulee valita pumppu, joka pystyy imemään korkeuseroa vastaavan alipaineen imuputkeen. Teoriassa pumpun imukorkeus voi olla ilmakehän painetta vastaava korkeus eli n. 10 metriä. Käytännössä suurin korkeusero on kuitenkin vain luokkaa 5–6 metriä. Suositeltavaa on pitää korkeusero mahdollisimman pienenä.

Pumpun pysähtyessä korkeusero pumpun imulaipan ja vesistön pinnan välillä aiheuttaa imuputken tyhjenemisen, ellei sitä ole jotenkin estetty. Tyhjentynyt imuputki edellyttää aina imuputken mekaanisen täyttämisen. Itseimevät pumputkaan eivät pysyt imemään vettä tyhjentyneen imu-putken kautta.

Käytännössä imuputken tyhjeneminen estetään imuputkeen asennettavalla yksisuuntaventtiilillä. Putkeen ei yleensä asenneta pelkkää venttiiliä vaan pohjaventtiili, jossa on valmiina vähintään yksi jousitoiminen yksisuuntaventtiili ja karkea suodatin. Toinen vaihtoehto on asentaa imuputken päähän erillinen karkea jatkuvapuhdisteinen imusuodatin. Sekä pohjaventtiili että erillinen imusuodatin tulee tukea jotenkin tai rakentaa sille oma asennusalusta.

Roskien pääseminen pumppuun tulee pyrkiä estämään jotenkin. Imulinjaan ei kuitenkaan suositella asennettavaksi erillisiä suodattimia. Imulinjassa tapahtuva painehäviö lisää riskiä pumpun kavitoinnille, joka rikkoo pumpun. On suositeltavampaa asentaa suodatin pumpun painepuolelle ja valita pumpuksi likaa kestävä malli.

Toteutetaan vedenotto kummalla tahansa edellä esitetyllä tavalla, tulee imuputki vesistön pohjalla varustaa riittävällä määrällä painoja. Lisäksi vedenottoputki tulee suojata siten, että jää ei pääse rikkomaan putkea kohdasta, josta putki menee vesistöön.

Pumput

Luonnonvesijärjestelmissä tulee ennen veden kunnollista suodatusta käyttää pumppuja, jotka kestävät likaa ja roskia. Puhtaille nesteille tarkoitettuja pumppuja ei järjestelmissä tule käyttää – oli pumpun väri sitten punainen, musta tai vihreä. Veden mukana tuleva lika ja roskat tukkivat ja ajan myötä rikkovat puhtaille nesteille tarkoitetut pumput.

Puhdistamattomalle vedelle soveltuvia pumppuja ovat mm. jätevesipumput ja pumput, joissa juoksupyörän ja pumpun pesän väliset välykset ovat normaalia suuremmat. Nämä pumput kestävät melko suurienkin likapartikkeleiden läpimenon ilman rikkoutumista.

Vietolla toteutetuissa järjestelmissä lika ja roskat laskeutuvat altaan tai kaivon pohjalle eikä me-ne suoraan pumpun imuun kuten vettä pumpulla imettäessä käy. Vietolla toteutetuissa järjestelmissä pumpun liankestokyky ei tarvitse olla aivan niin korkea kuin pumpulla vettä imettäessä.

Suodattimet

Yleisimmin luonnonvesijärjestelmissä käytetään suodattimina itsepuhdistuvia automaattisuodattimia. Näitä ovat esimerkiksi vastavirtahuuhtelulla puhdistuvat suodattimet, Bernoulli-suodattimet ja mekaanisesti kaapivat suodattimet.

Perinteistä mudanerotinta ei luonnonvesijärjestelmiin kannata asentaa, koska sen suodatuskyky ei ole riittävä eikä se myöskään kykene puhdistamaan itseään. Mitä enemmän mudanerotin suodattaa sitä suurempi on sen yli oleva painehäviö ja sitä huonompi on järjestelmän toiminta- pahimmillaan pumppu pumppaa ”päin seinää” ja sen moottori hajoaa.

Se, mitä suodatintyyppiä kussakin kohteessa käytetään, riippuu veden roskaisuudesta. Valinnan tekee yleensä suunnittelija kokemusperäisesti.

Suodatinvalinnan vaikeudesta hyvä esimerkki löytyy Tampereen Tammerkosken vedestä. Yläjuoksun puolella vastavirtahuuhtelusuodatin toimii moitteettomasti, mutta alajuoksun puolella suodattimen vastavirtahuuhtelu ei riittänyt pitämään suodatinta puhtaana ja prosessi pysähtyi suodattimen tukkeutumisen johdosta. Alajuoksun puolella on jouduttu käyttämään em. syystä joko Bernoulli-tyyppistä suodatinta tai mekaanisesti kaapivaa suodatinta, joiden puhdistuskyky on tehokkaampi kuin vastavirtahuuhtelusuodattimilla.

Onko suodattimen puhdistuskyky riittävä?

Suodatinvalinta kannattaa tehdä varman päälle ja valita suodatin, jonka tietää varmasti toimivan – yleensä sellainen on Bernoulli- tai mekaanisesti kaapiva suodatin.

Itsepuhdistuvien suodattimien yhteydessä tulee muistaa, että puhdistussyklin aikana tuleva huuhteluvesi pitää viemäröidä johonkin. Tämä saattaa asettaa lisävaatimuksia suodattimen asennuspaikalle ja varustelulle.

Humus-ongelma ratkaistaan yleensä varustamalla lämmönvaihtimet ja muut kriittiset laitteet pesuyhteillä ja ne pestään säännöllisin väliajoin.

Putkisto on avoin järjestelmä

Vedenoton, pumpun ja suodattimen valinnan jälkeen on vielä jäljellä putkiverkoston rakentaminen. Luonnonvesiä hyödynnettäessä on muistettava, että niiden putkiverkostot ovat avoimia järjestelmiä eli ne ovat auki ympäröivän ilmakehän paineeseen.

Vesistöön palaavan putken tulee käydä konehuoneessa korkeammalla, esim. putkilenkki, kuin tuloputken osat – mielellään noin metriä korkeammalla. Tällä varmistetaan, että tuloputken ja paluuputken vaihtimelta lähtevät osat ovat aina vesitäytössä. Tämä mahdollistaa sen, että putkessa virtaavan veden virtaama voidaan mitata kertasäätöventtilin mittausyhteistä. Kertasäätöventtiili tulee siis asentaa kohtaan, joka on korkeimmalla käyvän putkilenkin ja vaihtimen välissä.

Poistoputki takaisin järveen toimii kuin viemäriputki. Tämä tarkoittaa, että poistoputkeen syntyy virtaavan veden vaikutuksesta ali-paine, ellei se saa korvausilmaa jostain. Alipaine on sitä suurempi mitä suurempi on korkeusero paluuputken ja vesistön välillä. Putken alipaineisuus aiheuttaa ongelmia mittaus- ja säätölaitteissa, joiden toiminta perustuu paineeseen mm. paine- ja paine-eromittaus. Alipaineisuus saadaan poistettua asentamalla korvausilmaventtiili paluuputken korkeimpaan kohtaan.

Edellä esitetty ilmiö korostuu, jos vettä pumpataan ja palautetaan virtaavasta vedestä. Virtaava vesi aiheuttaa paluuputkeen imun, joka lisää alipaineisuutta paluuputkessa. Ilmiö esiintyy erityisesti suurissa järjestelmissä, joissa useita rinnakkaisia järjestelmiä on yhdistetty yhteiseen paluuputkeen ja ainoastaan osaa järjestelmistä käytetään samanaikaisesti.

Toinen virtaavan veden ominaisuus on, että siihen on lähes aina liuennut ilmaa. Ilma saattaa aiheuttaa ongelmia järjestelmän toiminnassa.

teksti ja kuvat Erikoissuunnittelija Jani Kianta / Insinööritoimisto AX-LVI Oy