Tulevaisuuden rakennukset ovat sekä energian tuottajia että käyttäjiä

Rakennukset ovat keskiössä ilmastonmuutoksen hillinnässä ja energian järkevässä käytössä. Aalto-yliopiston Energiatehokkaat ja -joustavat rakennukset -tutkimusryhmässä tehdään hartiavoimin töitä sen mahdollistamiseksi, että energiankäyttö nojaa puhtaisiin ja joustaviin ratkaisuihin, jotka luovat rakennuksiin hyvän sisäympäristön.

Uusiutuvan energian lisääntyvän käytön myötä rakennukset ovat sekä energian tuottajia että käyttäjiä. Niiden monet toisiinsa kytkeytyvät järjestelmät yhdistävät rakennukset edelleen osaksi sähkön ja energian jakeluverkkoja.

”Tarkastelemme rakennusta ja sen energiajärjestelmiä monelta kantilta ja yhdistämme työssä monipuolista osaamista. Tuoreessa tutkimuksessa optimoimme innovatiivista levylämmönvaihdinta, jonka erityisrakenne parantaa perinteisen levylämmönvaihtimen tehokkuutta jopa 21,4 prosenttia”, kertoo ryhmää johtava apulaisprofessori Andrea Ferrantelli.

Levylämmönvaihtimia käytetään lukuisissa kohteissa, joissa tarvitaan tehokasta lämmönsiirtoa kahden eri nesteen välillä. Ne ovat elintärkeitä komponentteja esimerkiksi kotien käyttöveden lämmityksessä, ilmanvaihdon lämmön talteenotossa, maalämpölaitoksissa sekä monissa teollisuuden prosesseissa.

Tarkastelussa oli levylämmönvaihdin, jonka metallilevyjen välissä oleva vahamainen parafiini muuttaa olomuotoaan lämpövaihteluiden myötä. Ferrantellin yhteistyökumppanit ovat aiemmin osoittaneet, että tämäntyyppinen kompakti PHETES-rakenne (plate heat exchanger with thermal energy storage) parantaa lämmönvaihtimen energianvarastointikapasiteettia peräti 75 prosenttia.

”Kyseinen lämmönvaihdin on kuitenkin herkkä sen mitoitusarvoille, kuten metallilevyjen ja olomuotoaan vaihtavan PCM-materiaalin (phase change material) paksuudelle tai sisäänmenoveden lämpötilalle. Teimme kattavan ja täydellisen optimointianalyysin, jonka avulla määritimme optimaaliset suunnitteluarvot eri konfiguraatioille.”

Osaksi lämpöpumppua ja energiajärjestelmää

Arvostetussa Journal of Energy Storage -lehdessä julkaistun tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää innovatiivisen PHETES-lämmönvaihtimen suunnittelussa ja toiminnan optimoinnissa.

”Laite saavuttaa maksimitehokkuuden, kun metallilevyjen paksuus on 11,1 millimetriä, PCM-materiaalin paksuus viisi millimetriä, laitteen alkulämpötila 70 Celsius-astetta ja sisäänmenoveden lämpötila 23 Celsius-astetta. Energianvarastointikyvyn maksimointi tai esimerkiksi prosessiajan minimointi puolestaan johtavat toisiin mitoitusarvoihin. Suunnittelu on tasapainoilua sen suhteen, kuinka lämmönvaihtimen toimintaa halutaan optimoida.”

Tuloksia hyödynnetään parhaillaan jatkotutkimuksessa, jossa PHETES-tekniikalla toteutettu lämmönvaihdin viedään rakennukseen asennettavaan lämpöpumppuun. Kokeiden avulla päästään optimoimaan lämpöpumpun mitoitusta ja toimintaa.

”Tämän jälkeen aiomme kytkeä PHETES-tekniikalla toteutetun lämpöpumpun osaksi lämpölaitosta tai esimerkiksi kodin käyttöveden lämmitysjärjestelmää. Näin pääsemme optimoimaan sen käyttöä osana energiatehokasta ja joustavaa energiajärjestelmää.”

Yritysyhteistyötä energiamurroksen vauhdittamiseksi

Ferrantellin tutkimusryhmä tekee tiivistä yhteistyötä yritysten ja yliopistojen kanssa. Tutkimukselle ja kehitystyölle on selkeä tarve, sillä rakennukset kuluttavat 40 prosenttia kaikesta energiasta ja ovat myös merkittäviä päästöjen lähteitä. Tekemistä riittää, sillä Euroopan Green Deal -ohjelman tavoitteena on saavuttaa hiilineutraalisuus vuoteen 2050 mennessä. EU-maiden kasvihuonekaasuja on määrä leikata 55 prosenttia vuoteen 2030 mennessä.

”Suomessa on paljon energiamurroksessa mukana olevia yrityksiä. Tutkimme esimerkiksi seinien käyttöä lämpövarastona PCM-materiaalin avulla, kaksipuolisten aurinkopaneelien suuntausta vesistöjen lähellä sekä datakeskusten hukkalämmön hyödyntämistä maalämpöverkkoon yhdistetyssä kaukolämpöverkossa.”

Energia ja siihen liittyvät ilmiöt ovat kiehtoneet Ferrantellia aina. Hän suoritti teoreettisen fysiikan perusopintonsa Torinon yliopistossa ja perehtyi lopputyössään hiukkasten energiakenttiin ja supergravitaatioon. Kosmologian jatko-opinnot toivat miehen Suomeen ja Helsingin yliopiston väitöstutkimuksessaan hän perehtyi galakseja koossa pitävän pimeän aineen energiaan.

”Opinnoissani sain perehtyä maailmankaikkeuden energiatiheyteen. Nykyisessä työssäni olen mukana vaikuttamassa siihen, että käytämme puhdasta energiaa rakennuksissa mahdollisimman tehokkaasti ja kestävästi.”

”Kehitämme ratkaisuja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. On hienoa kouluttaa alalle uusia osaajia, jotka voivat omalla työllään edistää kestävää kehitystä. Ryhmässäni on paljon Suomeen Euroopan ulkopuolelta tulleita opiskelijoita, joiden omassa kotimaassa on vaikeaa. Olen iloinen, että saan auttaa myös heitä etenemään työurallaan.”

Teksti: Marjukka Puolakka