Suomessa geoenergian hyödyntäminen on keskittynyt perinteisiin maalämpöjärjestelmiin eli suljetun kierron geoenergiajärjestelmiin. Lämpöenergiaa on varastoituneena myös pohjaveteen, jota olisi mahdollista hyödyntää avointa kiertoa hyödyntävien lämmöntalteenottojärjestelmien avulla. Suomessa on runsaasti pohjavesialueita ja näille alueille on keskittynyt elinkeinoelämän, asumisen ja liikenteen infrastruktuuria. Maankäyttö vaikuttaa usein pohjavesiin niin, että niissä havaitaan selvästi kohonneita lämpötiloja. Tämä lämpösaarekeilmiö kasvattaa tällaisten alueiden pohjavesien energiamääriä.

Kirjoittajat: Joonas Kouvo ja Jussi Kuusela

Pohjavesi lämmönlähteenä

Perinteiset maalämpöjärjestelmät ovat suljetun kierron geoenergiajärjestelmiä. Järjestelmässä lämpöenergiaa siirretään maa- tai kallioperästä lämmönkeruuputkistossa kulkevan etanoliliuoksen välityksellä lämpöpumpulle, joka tuottaa lämpöenergiaa rakennuksen sisäiseen lämmityskiertoon.

Pohjaveden energiasisältöä voidaan hyödyntää tehokkaammin käyttämällä avoimen kierron lämmöntalteenottojärjestelmää. Avoimessa kierrossa pohjavettä pumpataan pumppauskaivolta, johdetaan lämmöntalteenottojärjestelmälle ja palautetaan imeytyskaivon välityksellä takaisin pohjavesivarastoon. (Kouvo 2017, 6-7.)

Maankäyttö vaikuttaa pohjaveden lämpötilaan

Maanpinnan ylimmissä osissa olevissa pohjavesissä voidaan havaita vuodenaikojen mukaan tapahtuvaa lämpötilan vaihtelua. Ulkoilman lämpötilan kausivaihtelu vaikuttaa 10-15 metrin syvyyteen asti, kun taas tätä syvemmissä maakerroksen osissa pohjaveden lämpötila pysyy lähes vakiona ympäri vuoden. (Kouvo 2017, 9.) Turussa, Lahdessa ja Lohjalla vuonna 2012 tehtyjen lämpötilamittausten perusteella luonnontilaisella alueella pohjaveden lämpötila on kyseisen kausivaihteluvyöhykkeen alapuolella hieman yli 6 °C. Urbaaneilla- ja kaupunkien keskusta-alueilla mitattiin 2-4 astetta korkeampia lämpötiloja (Arola & Korkka-Niemi 2014, 1959.) Syynä havaittuun lämpösaarekeilmiöön on, että osa rakennusten ja teollisuuden hukkalämmöstä pääsee eristyksistä huolimatta johtumaan maaperään ja edelleen pohjaveteen. Tämän lisäksi myös esimerkiksi kaukolämpöputkista johtuu lämpöenergiaa ympäristöön. Tämä kertaalleen ympäristöön johtunut lämpöenergia olisi hyödynnettävissä pohjaveden lämmöntalteenottojärjestelmien avulla. (Kouvo 2017, 60.)

Pohjavedestä energiaa Nastolan alueella

Kesällä 2017 Lahden ammattikorkeakoulun vetämä NETS-hanke (LAMK 2018) aloitti yhteistyössä Geologian tutkimuskeskuksen kanssa selvitystyön Nastolanharjun yrityksille pohjaveden alueellisista hyödyntämismahdollisuuksista. Alue sijaitsee Salpauselkä I –reunamuodostelmalla, Nastonharju-Uusikylä –pohjavesimuodostumalla. Alue on yksi suomen merkittävimmistä pohjavesialueista, jossa on voimakasta maankäyttöä (Arola et al. 2014).

Pohjaveden lämpötilamittaukset suoritettiin kesäkuussa 2017. Mittauksia tehtiin sekä luonnontilaisilla alueilla olevista yleisistä pohjavesikaivoista että paikallisten yritysten omista pohjavesikaivoista. Mittausten perusteella voitiin arvioida pohjaveden lämpötilan kausivaihteluvyöhykkeen syvyys (m) sekä lämpötila kausivaihteluvyöhykkeen alapuolella. Kuviossa 1 on esitetty yleisestä pohjavesiputkesta GTK 106 mitatut lämpötilat svyyden funktiona. Putki sijaitsee alueella, jolla on asuinrakentamista. Kuviosta nähdään, että pohjaveden lämpötila on talven aikana laskenut hieman matalissa syvyyksissä ja vakioituu 13 metrin syvyydessä lämpötilaan 6,8 °C.

KUVIO 1. Pohjaveden lämpötila syvyyden funktiona kaivossa GTK 106. Mittaukset on tehty kesäkuussa 2017. Kuva: Oona Rouhiainen.

Taulukossa 1 on esitetty yleisten pohjavesiputkien mittaustulokset ja taulukossa 2 vastaavat arvot teollisilla alueilla sijaitsevissa pohjavesiputkissa. Yleiset pohjavesikaivot sijaitsevat alueilla, joissa ihmistoiminnan vaikutusta voidaan pitää vähäisenä. Yleisistä kaivoista P12 vastaa sijainniltaan parhaiten luonnontilaisia olosuhteita. Tuloksissa on ilmoitettu pohjaveden pinnantaso ja kaivon kokonaissyvyys maanpinnasta mitattuna sekä kausivaihteluvyöhykkeen alapuolella mitattujen pohjaveden lämpötilojen keskiarvo.

TAULUKKO 1. Tutkimusalueen yleisistä pohjavesikaivoista kesäkuussa 2017 tehdyt mittaustulokset.

Taulukon 1 ja taulukon 2 arvojen perusteella saadaan luonnontilaisten mittauspisteiden keskimääräiseksi pohjaveden lämpötilaksi 6,7 °C ja vastaavasti teollisilla alueilla 8,8 °C. Tulosten perusteella pohjaveden lämpötilat ovat siis noin 2 astetta korkeampia teollisilla alueilla. Pohjaveteen varastoituneen lämpöenergian määrä riippuu täysin pohjavesivaraston koosta, joka tulee määrittää geologisilla ja hydrologisilla mallinnuksilla alueellisesti. Esimerkkilaskennassa käytettäköön vesimäärää, joka pumpataan vesijohtovetenä Lahden seudulla kotitalouksille päivittäin eli 30 000 m³. Jos vastaavan vesimäärän lämpötila nousisi 2 astetta, varastoituisi vesimassaan energiaa noin 69 800 kWh. Tämä vastaisi noin 4-5 omakotitalon vuotuista lämmitysenergian tarvetta.

TAULUKKO 2. Tutkimusalueen teollisten alueiden pohjavesikaivot ja niiden mittaustulokset kesäkuulta 2017.

Lämpösaarekeilmiö vaikuttaa kokonaislämmitystehoon

Nykyaikaisella lämpöpumpulla voidaan lämmitystehon laskennassa käyttää lämpökerrointa 4, kun lämmitettävän kohteen menoveden lämpötila on yli 45 °C. Tämä on yleisesti vähimmäisvaatimus menovedelle patterilämmityskohteissa. Lattialämmityskohteissa menoveden lämpötila on alhaisempi, joka nostaa lämpöpumpun lämpökerrointa. Tyypillisesti lämpöpumppujen lämpökertoimet ilmoitetaankin lattialämmityksen menoveden lämpötilalla 35 °C, jolloin lämpökerroin on suurimmillaan.

Pohjaveden lämpötilaa voidaan laskea lämmöntalteenotossa 1 °C:een asti ilman pohjaveden jäätymisriskiä. Kun tiedetään pohjaveden lämpötilan muutos lämmöntalteenotossa, hyödynnettävissä oleva pohjaveden pumppausmäärä tietyllä ajanjaksolla ja lämpöpumpun lämpökerroin, voidaan laskea järjestelmän kokonaislämmitysteho. Pumppausmäärän ollessa 30 000 m³ vuorokaudessa on pumppaustaajuus 347 kg/s. Kun pohjaveden lämpötila vastaa teollisten alueiden mittauspisteiden keskimääräistä pohjaveden lämpötilaa 8,8 °C, voidaan pohjaveden lämpötilaa laskea 7,8 °C lämmöntalteenoton aikana. Tällöin lämpöpumpun lämpökertoimella 4 olisi hyödynnettävissä oleva kokonaislämmitysteho noin 15,1 MW. Vastaavasti pohjaveden lämpötilan ollessa 6,7 °C, joka vastaa yleisten pohjavesiputkien keskimääräistä lämpötilaa, olisi lämpötilan muutos lämmöntalteenoton aikana 5,7 °C ja hyödynnettävissä oleva kokonaislämmitysteho noin 11,0 MW.

Todellisuudessa hyödynnettävissä oleva pumppaustaajuus tulee määrittää geologisten ja hydrologisten mallinnusten sekä pumppauskokeiden avulla. Joka tapauksessa ihmistoiminnan vaikutuksesta pohjaveteen varastoituu jatkuvasti lämpöenergiaa, joka nostaa merkittävästi pohjaveden lämmöntalteenottojärjestelmien lämmitystehopotentiaalia. Tämä ilmiö havaitaan myös Nastolan alueella.

Lähteet

Arola, T., Eskola, L., Hellen, J. & Korkka-Niemi, K. 2014. Mapping the low enthalpy geothermal potential of shallow Quaternary aquifers in Finland. Geothermal Energy. [Verkkolehti]. Vol 2 (9). [Viitattu 5.3.2018]. Saatavissa: https://doi.org/10.1186/s40517-014-0009-x

Arola, T. & Korkka-Niemi, K. 2014. The effect of urban heat islands on geothermal potential: examples from Quaternary aquifers in Finland. Hydrogeology Journal. [Verkkolehti]. Vol. 22 (8), 1953-1967. [Viitattu 20.4.2018]. Saatavissa: https://doi.org/10.1007/s10040-014-1174-5

Kouvo, J. 2017. Pohjaveden hyödyntäminen lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmissä Suomessa: Lahden seudun alueellinen tarkastelu. [Verkkodokumentti]. AMK -opinnäytetyö. Lahden ammattikorkeakoulu, tekniikan ala. Lahti. [Viitattu 20.4.2018]. Saatavissa: http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201801011006

LAMK. 2018. Lahden ammattikorkeakoulu, NETS – Nastolan Energiaekosysteemi ja Teolliset Symbioosit. [Viitattu 20.4.2018]. Saatavissa: http://www.lamk.fi/nets

Kirjoittajat

Joonas Kouvo on opiskellut Lahden ammattikorkeakoulun Energia- ja ympäristötekniikan koulutusohjelmassa ja hän valmistuu (insinööri AMK) toukokuussa 2018.

Jussi Kuusela on Lahden ammattikorkeakoulun Energia- ja ympäristötekniikan lehtori.

Artikkelikuva: Monto, T. 2014. Puro metsässä Nastolassa. Saatavissa:  https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nastola_-_forest_2.jpg (CC BY-SA)

Julkaistu 24.4.2018

Viittausohje

Kouvo, J. & Kuusela, J. 2018. Lämpösaarekeilmiön vaikutus pohjaveden lämmöntalteenottojärjestelmien potentiaaliin Lahden seudulla. LAMK Pro. [Verkkolehti]. [Viitattu pvm]. Saatavissa: http://www.lamkpub.fi/2018/04/24/lamposaarekeilmion-vaikutus-pohjaveden-lammontalteenottojarjestelmien-potentiaaliin-lahden-seudulla