Aurinko Opas – 04 Aktiivinen aurinkoenergia, aurinkokeräimet

therm1

Aurinkoenergiaa hyödyntävät järjestelmät eroavat perinteisistä lämmitysjärjestelmistä lähinnä siinä, että energian saanti on epäsäännöllistä vuodenajan, sään ja maantieteellisen sijainnin mukaan. Perinteisenkin lämmitysjärjestelmän polttoaineet ovat auringosta peräisin. Ne ovat aurinkoenergiaa, joka miljoonien vuosien aikana on tiivistynyt öljyksi, hiileksi tai maakaasuksi tai fotosynteesin kautta muuttunut orgaaniseksi aineeksi (puu, olki jne.).

4.1 Aurinkokeräimet

Tasokeräimet

Tasokerääjissä säteilyn kerääminen tapahtuu tumman kerääjäelementin avulla. Elementin tumma pinta absorboi siihen lankeavasta säteilystä suurimman osan ja kuumenee – valosäteily muuttuu lämpösäteilyksi. Elementti on yleensä metallirakenteinen, mutta myös lämpöä kestäviä muoveja käytetään. Hyvän toiminnan edellytykset ovat:

  • hyvät absorbointiominaisuudet
  • hyvä lämmönsiirtokyky toiseen aineeseen (nesteeseen tai ilmaan).

4.2 Keskittävät keräimet

Keskittävä kerääjäjärjestelmä koostuu heijastuselementistä, säteilyä absorboivasta lämmönsiirtoputkesta sekä yleensä kehyksestä ja peitelasista. Keskittävänä järjestelmänä toimii parabolinen kouru, joka heijastaa siihen osuvat säteet polttoviivalle. Polttoviivalle on sijoitettu putki, jonka pinta on auringonsäteilyä hyvin absorboivaa ainetta. Lämmön siirtämistä varten putkessa virtaa neste, joka on valittu toimintalämpötilan ja sovellutuksen mukaan (yleensä öljy). Lämpöhäviöiden minimoimiseksi käytetään eräissä ratkaisuissa tyhjiölasiputkea, jonka sisällä absorptioputki kulkee. Järjestelmään kuuluu lisäksi tukirakenteita ja mahdollisesti koneisto, joka suuntaa kerääjälaitteen aina aurinkoa päin – seuraa auringon näennäistä liikettä.

Keskittävät kerääjät voidaan jakaa kahteen päätyyppiin:

1. Aurinkoa seuraavat keskittävät kerääjät, jotka jatkuvasti seuraavat auringon näennäistä liikettä. Tällaisille laitteille on ominaista korkea keskityssuhde (lämpötila 90 – 200 astetta C) ja se, että niillä pystytään hyödyntämään käytännössä vain suoraa auringonsäteilyä.

2. Kiinteät keskittävät kerääjät (eivät seuraa aurinkoa), jotka siis voidaan tasokerääjien tapaan asentaa kiinteästi. Niiden keskityssuhde on pienempi kuin aurinkoa seuraavien keskittävien kerääjien, saavutettavissa olevat lämpötilat ovat alhaisemmat (n. 80 – 150 astetta C) ja auringonsäteilystä pystytään hyödyntämään jossain määrin myös hajasäteilyä.

4.3 Tasokeräimen toimintaperiaate

Tasokerääjissä säteilyn kerääminen tapahtuu tumman kerääjäelementin avulla. Elementin tumma pinta absorboi siihen lankeavasta säteilystä suurimman osan ja kuumenee – valosäteily muuttuu lämpösäteilyksi. Elementti on yleensä metallirakenteinen, mutta myös lämpöä kestäviä muoveja käytetään. Hyvän toiminnan edellytykset ovat:

  • hyvät absorbointiominaisuudet
  • hyvä lämmönsiirtokyky toiseen aineeseen (nesteeseen tai ilmaan).

Kerääjäelementtejä on hyvin monenlaisia. Materiaalien lisäksi eroja on myös pintojen muodoissa, lämmönsiirtotavoissa ja elementtien koossa.

Suurin ero tasokerääjien välillä on lämmönsiirtotavoissa, joiden mukaan erotetaankin kolme kerääjätyyppiryhmää:

  • NESTEKIERTOISET tasokerääjät, joissa absorboivaan pintaan muodostuva lämpö siirretään nesteen avulla käyttökohteisiin tai lämpövaraajaan.
  • ILMAKIERTOISET tasokerääjät, joissa lämpö siirretään vastaavasti ilman avulla käyttökohteisiin ja/tai lämpövaraajan
  • LÄMPÖPUTKI-tasokerääjät, joissa tyhjiöputkessa oleva neste höyrystyy ja kuljettaa sitomaansa lämpöä lämmönsiirtimeen.

4.4 Tasokerääjän hyötysuhde

Aurinkokerääjään lankeavan auringonsäteilyn määrästä voidaan vain osa hyödyntää. Hyödynnettävissä olevaan aurinkoenergiamäärään vaikuttavat useat tekijät. Tärkeimmät ovat:

  • aurinkokerääjän suuntaus ja kaltevuus
  • katteen ominaisuudet

-lämmöneristys ja tiiviys-absorptio- ja lämmönsiirtokyky-lämmönsiirtoaineen ominaisuudet-aurinkokerääjän käyttölämpötila-ulkolämpötila-tuulisuus

Aurinkokerääjän suoritusominaisuudet voidaan kuvata ns HYÖTYSUHDEKÄYRÄLLÄ. Oletetaan, että auringon säteily lankeaa optimaalisessa kulmassa kerääjään (90 astetta) eikä tuuli vaikuta. Käyrän avulla voidaan joka käyttötilanteessa selvittää kerääjän toimintaa eli kuinka paljon aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää. Näin huomataan, että määrätyissä olosuhteissa kerääjän hyötysuhde voi olla 0 tai teoriassa muuttua jopa negatiiviseksi. Käytännössä näin ei kuitenkaan tapahdu, koska järjestelmä pysäytetään tällaisissa tilanteissa (lämmönsiirtoainetta ei kierrätetä,). Tilanteet, jolloin aurinko paistaa, mutta hyötyä ei saada, ovat tyypillisesti esim. varhain aamulla ja myöhään iltapäivällä, kun auringon säteilyteho ei vielä riitä, ja/tai tilanteessa, jossa säteilyteho on alhainen ja käyttö- ja ulkolämpötilan ero on suuri. Kun lämpätilaero on suuri, ovat lämpöhäviötkin suuret ja tästä johtuu, että tasokerääjillä, joissa on suuri absorptiopinta, saavutetaan parhaat hyötysuhteet alhaisilla lämpötila-alueilla. Lämmitysjärjestelmiä ajatellen tämä tarkoittaa sitä, että pitäisi käyttää lämmönjakotapoja, jotka sallivat mahdollisimman alhaisen lämpötilan.

Normaalisti laitetoimittaja antaa kerääjilleen hyötysuhteen kuvallisessa muodossa, jolloin maksimiarvo vastaa tilannetta, jossa kerääjän lämpöhäviö on nolla.

4.5 Keräinten sijoitus

Aurinkokeräimen toiminnan kannalta on erittäin tärkeää, että auringonsäteily pääsee mahdollisimman esteettömästi paistamaan keräimeen koko päivän. Keräimiä ei siis pidä asentaa varjoisaan paikkaan.

Maan pyöriminen oman akselinsa ympäri aiheuttaa päivittäin auringon näennäisen vaeltamisen taivaan poikki. Maan kiertoliike auringon ympäri yhdistettynä ratatason ja maan akselin väliseen kallistuskulmaan aiheuttaa sen, että tämä auringon näennäinen rata muuttuu päivittäin. Talvella auringon korkeuskulma on keskipäivällä vain 7o ja kesällä 53o (Etelä-Suomi, leveyspiiri 60o).

4.6 Keräinten suuntaus

eräimen suuntauksessa on kaksi muuttujaa: suuntakulma ja kallistuskulma. Paras asennussuunta tai -kulma on etelä, mutta paras kallistuskulma riippuu sovelluksesta – mitä asiaa halutaan painottaa, mitkä ovat ympäristön ominaisuudet. Jos halutaan painottaa koko vuoden tuottoa, paras kallistuskulma on 45o. Mikäli halutaan optimoida tuottoa kesällä, riittää loivempi kulma. Vahvistettaessa kevättalven tuottoa keräimet kannattaa nostaa pystympään (60o).

4.7 Suurkeräimet

Keräimen koko:

Perinteisesti aurinkokeräin on mitoiltaan n. 1,2 m x 2,5 m ja massaltaan n. 50 – 60 kg . Tällaisia keräimiä on helppo varastoida ja kuljettaa, 2 miestä pystyy käsittelemään niitä asennusvaiheessa.

4.8 Aurinkokeräinten kytkentätavat

Yleiset periaatteet

Aurinkolämmön luontevimmat käyttökohteet Suomen oloissa ovat sellaisia, joissa lämmön tarvetta esiintyy myös aurinkoisimpaan aikaan, siis kesällä. Tavallisessa pientalossa tämä tarkoittaa lähinnä lämmintä käyttövettä ja myös kesällä käytössä olevia kosteiden tilojen lämmityksiä. Huonetilojen varsinaiseen lämmitykseen ei aurinkokeräimillä saada kovin suuria energiamääriä.

Tyypillisen pientalon lämmitysenergian tarve on n. 20 000 kWh. Tästä n. 4000 kWh kuluu lämpimän käyttöveden valmistamiseen. Aurinkokeräimillä pyritään saamaan noin puolet lämpimän käyttöveden tarvitsemasta energiamäärästä, jolloin aurinkoenergian osuus koko lämmöntarpeesta jää noin 10 % tasolle. Matalaenergiatalossa osuus voi olla selvästi suurempikin.

Aurinkolämpö ja huonekohtainen sähkölämmitys

Kun rakennus lämmitetään huonekohtaisella sähkölämmityksellä – siis sähköpattereilla, kaapelilattialämmityksellä, kattolämmityskelmuilla, ikkunalämmityksellä tai näiden yhdistelmällä – ei aurinkolämpöä voida aktiivisesti hyödyntää lämmitykseen. Ainoaksi mahdollisuudeksi jää lämpimän käyttöveden valmistaminen osin aurinkoenergialla.

Aurinkolämpö ja vesikiertoinen sähkölämmitys

Vesikiertoinen varaava sähkölämmitys tarjoaa hyvän mahdollisuuden aurinkoenergian hyödyntämiseen myös huonetilojen lämmitykseen. Lämmitysjärjestelmä sisältää jo luonnostaan vesivaraajan – aurinkolämpöjärjestelmän keskeisen elementin. 

Aurinkolämpö ja öljylämmitys

Öljylämmityksen yhteydessä aurinkolämmityksellä voidaan tuottaa energiaa sekä lämmintä käyttövettä että huonetilojen lämmitystä varten vastaavalla tavalla kuin varaavassa vesikiertoisessa sähkölämmityksessä. Aurinkolämmön yhdistäminen öljylämmitykseen edellyttää tavallista öljykattilaa suurempaa vesitilavuutta keräinten tuottaman energian välivarastoimiseksi. 

Aurinkolämpö ja puulämmitys

Myös puulämmitys on otollinen lämmitystapa yhdistettäväksi aurinkoenergiaan. Aurinkolämpö liitetään puulämmitykseen samojen periaatteiden mukaan kuin varaavassa vesikiertoisessa sähkölämmityksessä. Usein syynä on vapautuminen kesäaikaisesta lämmitystyöstä. Keräinten ala valitaan kesäaikaisen lämmöntarpeen perusteella ja ne kytketään sopivalle korkeudelle varaajaan sijoitettuun lämmönsiirtimeen. Aurinkolämpöön voi myös varautua samoin kuin varaavassa vesikiertoisessa sähkölämmityksessä.

Aurinkolämpö ja lämpöpumput

Lämpöpumppu on sähkölämmityksen muoto, jossa 2/3 lämpöenergiasta otetaan maaperästä. Jos tarkoitukseen käytetään maahan upotettua vaakasuuntaista putkistoa, on energia viime kädessä peräisin auringosta. Koska maaperä lämpenee kesällä, siitä voidaan talvisin ottaa varastoitunutta aurinkoenergiaa lämmitykseen. 

Aurinkolämpö ja kaukolämpö

Kaukolämpö lienee aurinkokeräinten kannalta ongelmallisin lämmitysmuoto. Voitaisiin ajatella, että keräimillä lämmitetään varaajaa, varaajasta otetaan lämpö kulutukseen ja mahdollisesti tarvittava lisäenergia kaukolämpöverkosta. Kaukolämmön tuottajan kannalta tämä on huono vaihtoehto, koska kaukolämpövesi ei tällöin tehokkaasti jäähdy kuluttajan lämmönjakokeskuksessa.

4.9 Keräinten integrointi osaksi rakennuksen vaippaa

Aurinkokeräimen toiminnassa oleellista on sen mustan pinnan lämpeneminen. Parhaiten pinta lämpenee, kun rakennetaan “laatikko”, jossa auringonsäteily pääsee lämmittämään absorbaattoria, mutta tuuli ja vesi eivät pysty jäähdyttämään sitä. Keräin muodostaa siis tuulen- ja vedenpitävän rakennuselementin, jota voidaan käyttää muuhunkin kuin vain energian keräämiseen.

Keräinten integroinnilla tarkoitetaan keräinten rakentamista osaksi rakennuksen vaippaa. Oleellista on antaa keräimelle energian keräämisen lisäksi myös muita tehtäviä, esim. toiminta vesikatteena, tuulensuojana, julkisivuverhouksena, kaiteena tai meluaitana.