Maaperäisten termo-aktiivisien rakenteiden termomekaaninen käyttäytyminen

Kasvaneet energiakustannukset ja kiristyneet ympäristösäädökset ovat lisänneet geotermisten energiaratkaisujen suosiota. EU, mukaan lukien Suomi, on asettanut tavoitteekseen lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä ja vähentää hiilidioksidipäästöjä. Geotermistä energiaa hyödyntävä paaluperustukset, niin kutsutut energiapaalut, tarjoavat uudenlaisen teknologian vähäpäästöisen energian tuottamiseen. Geotermiset lämpöpumppujärjestelmät, maalämpöpumput, ovat taloudellisia ja ympäristöystävällisiä energiantuotantomenetelmiä, jotka talviaikaan siirtävät maaperään varastoitunutta energiaa rakennuksen lämmittämiseen ja vastaavasti jäähdyttävät rakennusta kesällä siirtämällä lämpöä maaperään.

Energiapaalujen taloudellisuus syntyy siitä, että ne pystyvät palvelemaan rakennusta kahdessa roolissa. Ne ovat osa rakennuksen energiajärjestelmää ja toimivat samalla myös kantavana rakenteena, joka siirtää rakennuksen kuormia perustuksilta maaperään. Lämpöpumppujärjestelmän kytkeminen paaluihin voi johtaa lämpötilan vaihteluun paaluissa sekä niitä ympäröivässä maaperässä, mikä puolestaan vaikuttaa paalujen ja maaperän lämpömekaanisiin, rakenteellisiin sekä geoteknisiin ominaisuuksiin. Vaikka energiapaaluja on asennettu jo paljon, ei paalujen lämpömekaanisesta käyttäytymisestä tai energiatehokkuudesta kylmien ilmastojen alueilla ole vielä paljoa tutkittua tietoa.

Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin numeerisesti energiapaalujen rakennuspaikan pohjaolosuhteista riippuvaa tuottopotentiaalia skandinaavisissa olosuhteissa ja ilmastossa. Tarkastelut kohdistuivat erityisesti pohjavesivirtauksen sekä vuodenaikojen ja ilman lämpötilan vaihtelun vaikutuksiin. Tutkimuksessa arvioitiin myös paalujen lämpötilan vaihtelujen vaikutuksia paalujen geoteknisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksiin sekä kestävyyteen.

Numeeristen simulaatiotulosten perusteella betonipaaluun asennetun U-putkirakenteen avulla saavutetaan paras tuottopotentiaali. Tulokset osoittivat, että kohtalainen pohjaveden virtaus parantaa systeemin tuottoa noin 20 prosenttia verrattuna tilanteeseen, jossa vedellä kyllästetyssä maassa ei tapahdu pohjaveden virtausta. Analyysitulokset osoittavat myös, että paalujen lämpötilavaihteluista aiheutuvat lisäjännitykset vähentävät paalujen kantokykyä, mikä tulee ottaa huomioon paalujen mitoituksessa.