Väitös rakennustekniikasta, MSc Jevgeni Fadejev

Väitöskirjan nimi: Geothermal energy piles design, sizing and modelling

Väittelijä: Jevgeni Fadejev
Vastaväittäjä: Prof. Alireza Afshari, Aalborg University, Tanska, ja prof. Enrico Fabrizio, Politecnico di Torino, Italia
Kustos: Prof. Heidi Salonen, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu 

Geotermiset energiapaalut (GEP) tarjoavat huomattavan potentiaalin uusiutuvan energian käyttöön lähes nollaenergiataloissa (NZEB). Niiden mallintaminen on kuitenkin edelleen haastavaa validoitujen menetelmien rajallisen saatavuuden vuoksi. Paalutetuissa rakennuksissa U-putket voidaan esiasentaa paalujen valun yhteydessä lämmönvaihtotoiminnon aktivoimiseksi. Kun paalut on varustettu tällä putkistolla, niistä tulee geotermisiä energiapaaluja – ne toimivat maahan lämpöä siirtävinä vaihtajina, jotka voidaan kytkeä maalämpöpumppuun (GSHP) rakennuksen lämmitystä ja jäähdytystä varten.

Rakennuksen perustussuunnitelma määrittää geotermisten energiapaalujen sijoittelun, mikä johtaa lämpövuorovaikutukseen vierekkäisten paalujen välillä ja vaikeuttaa järjestelmän mitoitusta ilman validoituja mallinnustyökaluja. Tämä työ keskittyi luotettavan GEP-mallinnusmenetelmän kehittämiseen ja validointiin. Menetelmä sisälsi mittausten suorittamisen, paalujen käyttäytymisen simuloinnin erilaisissa olosuhteissa parametristutkimuksen avulla sekä tulosten vertailun mitattuun dataan. Mallinnuksessa ja validoinnissa käytettiin IDA ICE- ja COMSOL-ohjelmistoja.

Validoitua menetelmää sovellettiin NZEB-tyyppisen liikerakennushallin suunnitteluun Suomessa. Rakentamisen jälkeen käytettiin yhden vuoden operatiivista dataa mallin kalibrointiin, mikä osoitti menetelmän tarkkuuden vakuuttavasti. Kalibrointi paljasti odottamatonta laitteiston (plant) toimintaa virheellisten ohjausalgoritmien vuoksi, korostaen seuranta- ja kirjausjärjestelmien merkitystä epätavallisilla laiteratkaisuilla varustetuissa rakennuksissa asianmukaisen toiminnan ja pitkäaikaisen tehokkuuden varmistamiseksi.

Parametristutkimuksen tulokset osoittivat, että kausiluonteinen lämpövarastointi voi parantaa merkittävästi energiatehokkuutta ja vähentää tarvittavaa paalun pituutta yli 50 % tietyissä tapauksissa. Tämän työn tuloksena kehitettiin taulukkomuotoinen GEP-mitoitusopas varhaisen vaiheen suunnittelun tueksi, jonka avulla insinöörit voivat arvioida järjestelmäkokoonpanoja tehokkaasti ilman monimutkaisia simulointityökaluja. Tässä esitettyä menetelmää voidaan soveltaa mihin tahansa ilmastoalueeseen ja rakennustyyppiin.

Avainsanat: Aktivoidut paaluperustukset; Kausilämpövarasto; Maalämpöpumppu; Geotermisten energiapaalujen mitoitusopas

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot: jevgeni.fadejev@taltech.ee