Use of ground source heat technologies for heating buildings:case study of Kuivaniemen koulu

Abstract. This study was done to determine the current state and feasibility of medium-depth ground source heat pump systems in Finland, and its applicability at a study site in the municipality of Ii. A school, day-care centre and two terraced houses located at one property were chosen as the study site due to their need for a new heating system to replace district heating in the coming years. Medium-depth ground source heat pump system was also compared to a conventional ground source heat pump system, which have shallower boreholes, to define the advantages and disadvantages of both technologies. In addition, the feasibility of utilising load shifting as a demand-side management tool was studied in order to generate savings in electricity bill and to make a medium-depth ground source heat pump system more affordable at the study site. Currently, there is only one operating medium-depth ground source heat pump in Finland and another should start operating during 2020. Compared to conventional ground source heat pumps they have higher investment costs because drilling becomes more expensive when depth increases. It is expected, however, that the costs will decrease if medium-depth boreholes become more common. The interest towards deeper boreholes is caused by the higher temperature deep in the ground which provides higher energy production. In addition, unlike medium-depth boreholes, shallow boreholes require a larger area which is not always available at urban areas. Medium-depth ground source heat pumps seem to be the most suitable for buildings which do not have enough space for shallow boreholes and which have both high heating and cooling demand. The feasibility study of both heating systems and load shifting as a demand-side management tool at the study site included several uncertainties due to lack of information of the study site and experience of medium-depth ground source heat pump systems. Without extensive research of the ground properties, it is hard to determine the production rate of especially medium-depth boreholes and therefore the heat production is only an estimate. Nevertheless, one medium-depth borehole was estimated to be able to cover the thermal energy demand of the school and day-care centre but not the terraced houses. Shallow boreholes could be constructed to cover the energy demand of all buildings, but they would require a vast area at the property since 29 boreholes would be required. The payback time of a medium-depth ground source heat pump system for the educational buildings was determined to be 13 years and the payback time of a shallow ground source heat pump system for all buildings would be 12 years. The biggest drawback of shallow boreholes is the challenge to fit them to the property. If all 29 shallow boreholes were constructed, some trees might have to be cut down and some of the boreholes would have to be located at places where children play during their breaks. Because a medium-depth borehole could only cover the energy need of the school and day-care centre, eight shallow boreholes should be constructed in addition to the medium-depth borehole in order to also secure the heating of the terraced houses. Nevertheless, fitting of nine boreholes is significantly easier than fitting of 29 boreholes. Alternatively, the terraced houses could be heated for example with electric heating if district heating is no longer in use. The proposal of using demand-side management was to preheat the school building at night when electricity is cheaper, which would enable turning off the heating in the morning when electricity price is the highest. Because ground source heat pump systems use electricity and real-time electricity prices are highest in the morning, the plan would decrease the average price which is payed for electricity. It was calculated in the study that depending on the length of preheating, annually around 100 MWh of heat generation from the morning could be shifted to nighttime resulting in moderate annual savings of approximately 400 €. Even though it was not considered in the study, load shifting would probably increase the amount of purchased electricity and decrease the calculated savings. Because the estimated savings are very small compared to annual heating costs and investment costs of a ground source heat pump system, the studied method to utilise demand-side management does not seem to be a very profitable investment.Tiivistelmä. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää keskisyvän maalämmön käyttökelpoisuus yleisesti Suomessa ja Iissä sijaitsevassa tutkimuskohteessa. Samalla tontilla sijaitsevat koulu, päiväkoti ja kaksi rivitaloa valittiin tutkimuskohteeksi, sillä ne tarvitsevat mahdollisesti uuden lämmitysjärjestelmän korvaamaan kaukolämmön tulevien vuosien aikana. Keskisyvää maalämpöä verrattiin myös tavalliseen maalämpöön eli matalampiin lämpökaivoihin, jotta lämmitysjärjestelmien edut ja haitat pystytään määrittämään. Lisäksi kysynnänhallinnan käyttämisen mahdollisuutta selvitettiin työssä sähkölaskujen pienentämiseksi ja keskisyvän maalämmön kannattavuuden parantamiseksi. Tällä hetkellä Suomessa on vain yksi toiminnassa oleva keskisyvä maalämpökaivo ja toisen pitäisi aloittaa toiminta kuluvana vuonna 2020. Mataliin lämpökaivoihin verrattuna keskisyvillä maalämpökaivoilla on korkeammat investointikustannukset, sillä poraaminen kallistuu syvyyden kasvaessa. Odotetaan kuitenkin, että kustannukset laskevat keskisyvän maalämmön tullessa suositummaksi. Kiinnostus keskisyvään maalämpöön johtuu korkeammasta lämpötilasta syvemmällä maassa, joka aiheuttaa myös korkeamman energiantuotannon. Lisäksi toisin kuin keskisyvä maalämpökaivo, matalat maalämpökaivot vaativat suuren alueen, jota ei ole aina saatavilla kaupunkialueilla. Keskisyvä maalämpö vaikuttaa olevin sopivin rakennuksiin, joilla ei ole tarpeeksi tilaa mataliin maalämpökaivoihin ja joilla on sekä korkea lämmitys- että jäähdytystarve. Molempien lämmitysjärjestelmien ja kysynnänhallinnan kannattavuuden tutkimisessa oli useita epävarmuuksia tutkimuskohteen tietojen ja keskisyvän maalämmön käyttökokemuksien puutteen vuoksi. Ilman tarkkaa tutkimuskohteen maaperän tutkimista on vaikea määrittää maalämpökaivon lämmöntuotantoa ja sen vuoksi lämmöntuotannon määrä on vain arvio. Työssä arvioitiin kuitenkin, että yksi keskisyvä maalämpökaivo voisi tuottaa tarpeeksi energiaa koululle ja päiväkodille, mutta ei rivitaloille. Matalia lämpökaivoja voitaisiin käyttää tuottamaan lämpöä kaikille rakennuksille, mutta se vaatisi paljon tilaa tontilla, sillä kaivoja tarvittaisiin 29. Pelkän keskisyvän maalämpökaivon takaisinmaksuajaksi määritettiin 13 vuotta ja 12 vuotta maalämpöjärjestelmälle, joka käyttää matalia lämpökaivoja ja tuottaa lämpöä kaikille rakennuksille. Matalien maalämpökaivojen isoin haittapuoli on niiden mahduttaminen tontille. Jos 29 matalaa lämpökaivoa porattaisiin, joitakin puita jouduttaisiin mahdollisesti kaatamaan ja lämpökaivoja jouduttaisiin sijoittamaan alueille, joissa lapset leikkivät. Koska keskisyvä maalämpökaivo voisi tuottaa vain koulun ja päiväkodin energiantarpeen verran energiaa, kahdeksan matalaa lämpökaivoa pitäisi porata keskisyvän lämpökaivon lisäksi, jotta myös rivitalojen lämmitys turvattaisiin. Yhdeksän porakaivon mahduttaminen olisi silti selvästi helpompaa kuin 29:n lämpökaivon. Vaihtoehtoisesti rivitalot voitaisiin lämmittää esimerkiksi sähkölämmityksellä jos kaukolämpö ei ole enää käytettävissä. Ehdotus kysynnänhallinnan hyödyntämiseen oli esilämmittää koulurakennusta öisin, minkä vuoksi lämmityksen voisi sammuttaa aamulla. Koska maalämpöä käyttävä lämmitysjärjestelmä käyttää sähköä ja tuntihinnoitellun sähkön hinta on korkeimmillaan aamulla, ehdotus laskisi maksettavan sähkön keskihintaa. Työssä laskettiin, että vuoden aikana esilämmityksen kestosta riippuen noin 100 MWh lämpöä voitaisiin siirtää aamulta yöllä tuotettavaksi, minkä vuoksi vuodessa saatavat säästöt olisivat noin 400 €. Tällaisen kysynnänhallinnan käyttö lisäisi todennäköisesti sähkönkulutusta ja vähentäisi säästöjä, vaikka tätä ei työssä huomioitukaan. Koska arvioidut säästöt ovat hyvin pienet verrattaessa sekä vuotuisiin lämmityskustannuksiin että maalämpöjärjestelmän investointikustannuksiin, ei tutkittu kysynnänhallinnan menetelmä vaikuta hyvin kannattavalta investoinnilta