Lämpökaivo, porakaivo
Maalämpöpumppu hyödyntää maaperään, kallioon tai vesistöön varastoitunutta auringon energiaa rakennuksen ja käyttöveden lämmittämiseen. Maalämpöpumppu hakee energiaa maaperästä, kallioperästä tai vesistöstä lämmönkeruuputkistolla. Lämmönkeruuputkisto sijoitetaan yleisimmin rakennuksen viereen porattavaan lämpökaivoon, joka voi olla 100 – 250 metriä syvä. Porakaivoon sijoitettava lämmönkeruuputkisto soveltuu hyvin käytettäväksi pienillä kaupunkitonteilla, koska lämpökaivo ei vaadi tontilta pinta-alaa ja voidaan porata lähelle rakennusta.
1. Porakaivon syvyyden määrittäminen
Porakaivon syvyys riippuu tarvittavasta lämmitysenergian määrästä. Maalämpöjärjestelmä ja porakaivon syvyys mitoitetaan vanhoissa rakennuksissa perustuen toteutuneeseen lämmitysenergian kulutukseen, esimerkiksi lämmitysöljyn vuotuiseen kulutukseen tai lämmitykseen käytettyyn sähköenergiaan perustuen. Öljylämmitteisissä rakennuksissa lämmitysenergian kulutus ja sitä kautta lämpökaivon syvyys määräytyy toteutuneen öljyn kulutuksen ja öljykattilan hyötysuhteen perusteella. Öljykattiloiden hyötysuhde vaihtelee vanhempien kattiloiden 75 prosentista uudempien öljykattiloiden 90 prosenttiin. Etelä-Suomessa 4000 – 4500 litran vuotuinen öljynkulutus rakennuksessa vaatii tyypillisesti yhden 200 metriä syvän lämpökaivon kun öljylämmitys vaihdetaan maalämpöön.
Sähkölämmitteisessä rakennuksessa, missä lämmitysenergian kulutus on n. 35000 kWh, riittää 200m lämpökaivo tuottamaan maalämpöjärjestelmän tarvitseman lämmön, kun sähkölämmitys vaihdetaan maalämpöön.
Rakennettavissa kohteissa maalämpöjärjestelmän ja porakaivon mitoitus perustuu rakennuksen laskennalliseen lämmitysenergian kulutukseen. Rakennuslupaa haettaessa tarvitaan energiatodistus, josta selviää rakennuksen lämmitysenergian ja huipputehon tarve. Mikäli energiatodistus on oikein laadittu, voidaan maalämpöjärjestelmän mitoitus tehdä energiatodistuksen tietoihin perustuen.
2. Porakaivon halkaisija
Porakaivon halkaisija on tyypillisesti 100 mm – 150 mm. Tavanomaisin porakaivon halkaisija on 115 mm. Vanhemmalla tekniikalla tehtävät porakaivot ovat tyypillisesti halkaisijaltaan suurempia, n. 150 mm. Lämpökaivon halkaisijalla ei tutkitusti ole merkittävää vaikutusta lämmönkeruuputkiston energiatehokkuuteen. Ruotsissa vuonna 2008 valmistuneen tutkimuksen mukaan maalämpöjärjestelmän lämpökaivon halkaisijalla on varsin pieni merkitys lämmönkeruujärjestelmän tehokkuudessa. Halkaisijaltaa pienempi porakaivo on hieman suurempihalkaisijaista porakaivoa tehokkaampi. Tämä selittyy sillä, että lämpökaivossa oleva vesi toimii ainoastaan lämmönsiirtäjänä kalliosta lämmönkeruuputkistoon. Mitä vähemmän vettä on kallion ja lämmönkeruuputkiston välissä, sitä tehokkaampaa on porakaivossa lämmön siirtyminen kalliosta lämmönkeruuputkistoon ja lämmönkeruunesteeseen.
3. Lämpökaivon poraustyöt
Lämpökaivon porauksen suorittaa tähän tarkoitukseen suunniteltu kalusto, johon kuuluu kuorma-autossa oleva kompressoriyksikkö, poravaunu ja pölynsidontakontti. Poravaunu on näistä ainoa laite, jonka täytyy ajaa tontille suorittamaan poraus. Kompressoriyksikköä ja pölynsidontakonttia ei tarvitse tuoda lähelle rakennusta, vaan ne voidaan useimmissa tapauksissa jättää esimerkiksi tien varteen. Kompressoriyksikkö kytketään poravaunuun joustavalla paineilmaputkella ja poravaunulta viedään pölyn pois kuljetusta varten pölynsiirtoputki. Uudenaikaisella kalustolla (mukaanlukien erillinen pölynsidontakontti) suoritettuna lämpökaivon poraus on siistiä ja tehokasta, eikä edes valmiiseen puutarhan jää merkittäviä jälkiä porakaivon porauksesta. Lämpökaivon poraustyöt kestävät tavanomaisissa olosuhteissa yhden päivän. Mikäli maaporausta on peruskallion päällä runsaasti, voi tämä aiheuttaa yhden tai kahden päivän lisätyön porakaivon porauksessa.
4. Porakaivon maaporaus
Maalämpöjärjestelmän lämpökaivon poraus aloitetaan poraamalla maakerroksen läpi teräksinen suojaputki peruskallion pintaan asti. Peruskallion syvyys maan pinnasta määrittää merkittävän osan porakaivon kustannuksista, koska maaporausosuus on merkittävästi hitaampaa kauin kallioporaus. Maaporaus vaatii vahvan teräsputken estämään maa-aineksen valumista maalämpöjärjestelmän lämpökaivoon. Teräsputki on 115mm lämpökaivossa ulkohalkaisijaltaan 139,7mm seinämävahvuuden ollessa 5mm. Teräsputkea porataan tarvittava määrä peruskallion sisään, kunnes kallio on ehjää. Poikkeustapauksissa, kun kallio on rikkonaista, voi olla tarpeen porata teräksistä suojaputkea kallion sisään jopa useita kymmeniä metrejä, kunnes saavutetaan ehjä kallio. Kokemusten mukaan vain n. yhdessä prosentissa lämpökaivojen poraustöistä peruskallio on niin rikkonaista, että teräsputkea joudutaan poraamaan peruskallion sisään merkittäviä määriä.
Tyypillisesti maaporausmetri tai teräsputkella tuettu kallioporaus on noin kolme kertaa kalliimpaa kuin kallioporausmetri. Mikäli peruskallion päällä on useita kymmeniä metrejä paksu maakerros, aiheutuu tästä maalämpöprojektille useamman tuhannen euron ylimääräinen kustannus, jolloin kannattaa harkita maaperään sijoitettua lämmönkeruuputkistoa tai paikasta riippuen vesistöön sijoitettavaa putkistoa. Myös ilma-vesi – lämpöpumppu voi olla tällöin kilpailukykyinen vaihtoehto.
5. Porauksen yhteydessä vedellä täyttyvä porakaivo
Poikkeustapauksena on myös, että maaporauksen ja esimerkiksi 100m kallioporauksen (ehjään kallioon) jälkeen tulee peruskalliossa vastaan niin vahva vesisuoni, että porakaivo täyttyy nopeasti vedellä, jolloin lämpökaivon porauskaluston kompressorista tuottama paineilma ei ehdi tyhjentämään porakaivoa vedestä yhtä nopeasti kuin vettä virtaa lämpökaivoon. Tällöin porauksen kivipöly ei nouse pois porakaivosta tarpeeksi tehokkaasti, ja poraustyötä ei voida jatkaa. Tällöin täytyy n. 15 metrin päähän porata toinen porakaivo, jotta lämpökaivoilta vaadittava kokonaismetrimäärä täyttyy.
Lämpökaivo voi täyttyä jo porauksen yhteydessä vedellä, mikäli kalliossa halkeamia, joita pitkin vesi siirtyy porakaivoon. Lämpökaivon kohdalla voi olla myös niin ehjää kalliota, että vesi ei ala kerääntyä porakaivoon porauksen yhteydessä. Tällöin lämpökaivo täytetään vedellä, jotta lämmönkeruuputkistoa ympäröisi vesi porakaivossa. Täytetty porakaivo toimii lämpökaivona aivan yhtä hyvin kuin luonnostaan vedellä täyttyvä lämpökaivo. Ehjä kallio myös pitää veden lämpökaivossa. Porakaivossa veden pinta vakioituu lähelle luontaista pohjaveden tasoa riippumatta siitä, täyttyykö lämpökaivo luonnostaan vai täytetäänkö porakaivo vedellä porauksen jälkeen.
6. Rikkonainen kallio porakaivon kohdalla
Harvinaisena poikkeustapauksena on myös, että ehjän kallioporauksen jälkeen kallioperässä on rikkonainen vyöhyke. Vaihtoehtoina on porata n. 15 metrin päähän toinen lämpökaivo tai valaa viskositeetiltaan hyvin juoksevaa ja raekooltaan pientä betonia porakaivoon sekä puristaa juokseva betoni kompressorin paineilmalla kallion halkeamiin. Tämä yleensä stabiloi kallioperän niin, että rikkonaisen vyöhykkeen läpi voidaan porata ja jatkaa ehjään kallioon. Näin voidaan saavuttaa lämpökaivolle tarvittava syvyys.
7. Lämpökaivon näkyviin jäävät rakenteet
Lämpökaivosta ei tyypillisesti jää rakenteita näkyviin maan pinnalle. Porakaivon lämmönkeruuputkiston liitokset toteutetaan muovihitsaustekniikalla, jolloin lämpökaivo ja lämmönkeruuputkisto on huoltovapaa. Lämpökaivon yläosa varustetaan huoltokaivolla, jonka kansi tyypillisesti peitetään maa-aineksella. Näin porakaivosta ei näy maan pinnalle mitään.
