Väitöskirjatutkija Kari Kallioharju: “Asuinrakennusten lämpöpumput voivat auttaa parantamaan energiajärjestelmän resilienssiä kustannustehokkaasti ”

Väitöskirjan aihe on esimerkki siitä, että akateeminen tutkimus ei ole pelkästään teoreettista vaan sillä on suora yhteys käytännön sovelluksiin. 

– Energiamurroksen tutkimus jalkautuu aina tarpeen mukaan ja hyödyttää alaa. Turhia tutkimuksia ei olla tehty, aiheestaan innostunut Kallioharju painottaa. 

Hän sai tutkimusapurahan Tamperelaisen tutkimustyön tukisäätiöltä. 

– Meillä on jatkuvaa yhteistyötä yliopistojen ja yritysten kanssa. Apuraha on tärkeä askel eteenpäin tässä työssä. On todella hienoa, että energiamurroksen tutkimus koetaan tärkeäksi juuri Tampereella. Meillähän on täällä eniten sähköenergiapuolen koulutusta sekä energiamurroksen ja energiapolitiikan tutkimusta yhdessä yliopiston kanssa. 

Väitöstyön vastuuohjaajana on Tampereen yliopiston sähkövoimatekniikan professori Pertti Järventausta. 

– Hänen kanssaan on tehty hankkeita ja kirjoitettu artikkeleita alusta asti. Hervannan kampuksen sähkövoima on meille tärkeä ja pitkäjänteinen yhteistyökumppani. Yhteistyömme on valtakunnan tasollakin tunnistettu ja tunnustettu: Sähkötekniikan ja energiatehokkuuden kehittämiskeskus STEK on rahoittanut tätä meidän strategista alan kehittämistämme jo kahdeksatta vuotta.

Väitöskirjatutkijakin ottaa välillä ruuvarin käteen

Kallioharju on TAMKin alumni. Hän on valmistunut insinööriksi sähkötekniikan tutkinto-ohjelmasta ja sitten jatkanut Tampereen yliopistoon Hervantaan. Hän nauraa, ettei ole koskaan päässyt varsinaisesti pois TAMKista, mutta ei ole tosin halunnutkaan. 

– Jäin tänne opettamaan heti valmistumisen jälkeen vuonna 2007. Suurin osa talotekniikan opettajista, jotka tohtoriopintojakin nyt tekevät, on kulkenut saman polun. Meillä kaikilla taitaa olla sähköasentajataustakin. Tekee ihan hyvää, kun välillä ottaa ruuvarin käteen. Pitkän tien kautta on tähän tultu, mutta näkemystä kokonaisuudesta on sen ansiosta karttunut. 

Kallioharju pyrkii väitöskirjatutkimuksessaan selvittämään sitä, miten lämpöpumput vaikuttavat asuinrakennusten sähkötehokkuuteen ja miten näitä vaikutuksia voidaan hallita. 

– Meillä on Suomessa ollut aina sähköön perustuva energiajärjestelmä. Kaupungeissa on kaukolämpöä, mutta muutoin pientaloissa on suora sähkölämmitys. 2000-luvun taitteessa se kääntyi lämpöpumppuihin ja viimeiset parikymmentä vuotta niiden määrä on vain kasvanut. Nyt muu Eurooppa ryntää käyttämään lämpöpumppuja. Meillä on pitkäaikaista kokemusta siitä, miten nämä järjestelmät toimivat, ja tämä on Suomen vahvuus, Kallioharju painottaa. 

Lämpöpumppujen tutkimus lähti käyntiin vuonna 2017, kun lämpöpumpuilla varustettuihin taloihin vietiin mittareita. 

– Dataa saatiin niin paljon, että siksi minua pyydettiin alun perin väikkäriä tekemään. Vaikka tämä tutkimus on venynyt kuin purkkapallo, tässä hetkessä tälle aiheelle löytyy järjettömän hyviä perusteluita. Nyt on kohistu sähkönsiirron tehomaksusta eli huipputehon vaikutuksesta siirtomaksun suuruuteen. Tämä tutkimushan iskee juuri siihen saumaan, että millaisia piikkejä lämpöpumput aiheuttavat ja miten niitä mahdollisesti pystyy ohjaamaan ja hallitsemaan. 

Kuva: Hanna Ylli

Rakennukset toimivat energiajärjestelmässä sekä kuluttajina että tuottajina

Energiajärjestelmämme sähköistyy, ja samalla sen tuotanto hajaantuu ja tuotannon varmuus heikkenee. Isoon kuvaan liittyy kiinteästi tehojen hallinta. Sähkötöiden hallintaan nivoutuu omaa tuotantoa ja energiatehokkuuden parantamista. Heittoa tulee tuuli- ja aurinkovoiman takia, mutta samalla tavoin käy kulutukselle: lämmitys sähköistyy ja sähköautoja ladataan. Lämpöpumput käyttäytyvät epävakaammin kuin perinteiset lämmitysjärjestelmät: ne aiheuttavat enemmän piikkejä ja vaihtelua. 

Aiemmissa tutkimuksissa ja hankkeissa on keskitytty pitkälti teollisuuteen. Palvelurakennuksia on tutkittu rajallisesti. Kallioharjun fokuksessa ovat asuinrakennukset, joita on määrällisesti eniten.

– Pureudun lämpöpumpulla varustettujen asuinrakennusten sähkötehokäyttäytymiseen siksi, että lämpöpumppujärjestelmät ovat semmoisia veijareita verrattuna sähkölämmitykseen. Ne toimivat silloin, kun esimerkiksi lämmintä vettä ja lämpöä tarvitaan. Silloin ne yksittäisinä laitteina käyttävät paljon myös sähköä. Samalla kun vielä laitetaan ruokaa ja saunotaan, on rakennuksessa paljon sähkökuormaa. Siksi tarkastelen pelkän lämpöpumppujärjestelmän sijaan kiinteistön liittymispistettä. 

Väitöskirjastaan Kallioharju rajaa pois pientalot ja tarkastelee vain kerrostaloja. 

– Pientalot ovat monimutkainen kenttä tehdä ehjää väitöstä. Kerrostaloissa ei ole niin paljoa kohinaa aiheuttavaa sähkökuormaa ja samankaltaisina rakennuksina kerrostaloista pystyy tekemään jonkinlaisia yleistyksiä.

Energiamurroksen aikoina tutkittavaa riittää – yrityksetkin hyötyvät

Yksi Kallioharjun tutkimuksen keskeisistä tavoitteista on kehittää työkaluja sähköyhtiöille, jotta ne voivat tunnistaa kerrostalojen lämpöpumppujen vaikutukset sähköverkossa. 

– Sähköyhtiöt eivät tällä hetkellä tarkasti tiedä, missä lämpöpumppuja on. Tämä tutkimus auttaa heitä arvioimaan lämpöpumppujen vaikutuksia ja tehojoustoa sekä hallitsemaan niitä paremmin.

Tutkimusaihe kiinnostaa myös Tampereen Energia Sähköverkkoa. Maalämpökerrostalojen sähkötehovaikutuksista on juuri julkaistu diplomityö. Sähköverkkoyhtiö ehdotti Kallioharjulle jo jatkotutkimusta kerrostalojen joustoista, ja hänhän tietenkin suostui. 

Lisäksi väitöskirjan aihe on erityisen kiinnostava kustannusten hallinnan ja huoltovarmuuden kannalta. 

Asukkaita kiinnostavat kustannukset, sähköverkkotoimijoita puolestaan verkon käyttö ja kestävyys. Käyttöturvallisuuden ja luotettavuuden parantaminen sähköverkossa on oleellista, ja siksi kuormituksen ennakointi ja resilienssin parantaminen ovat osa myös kansallista turvallisuutta.

Kari Kallioharju

Mielenkiintoisia asioita on vielä pöyhittävänä. Oman lisänsä tuo siirron tehomaksu. 

– Yksittäisiä laskelmia olemme tehneet esimerkiksi siitä, miten pörssisähköohjauksella pystyy saamaan säästöjä ja miten se vaikuttaa tehojen seilaamiseen. Tähän vaikuttaa myös se, miten siirron tehomaksua ja sähkön hintaa lähdetään optimoimaan. 

Sähkösopimuksista merkittävä osa on pörssisähköä. Siksi on tärkeää tutkia sitä, miten pörssisähkö saadaan optimoitua järjestelmään. Siitä tulee Kallioharjun mukaan vielä mielenkiintoinen soppa, jota sekoittaa taloyhtiöissä myös sähköautojen lataus: mihin aikaan ladataan ja lämmitetään, millainen piikki tulee ja millaisella sähkön hinnalla.

– Vaikea kakku se on, eikä siihen ole vielä kukaan uskaltanut puuttua. Helsingissä on joitain erillisiä keskuksia laitettu täysin sähköautoille, mutta siirtomaksu vaikuttaa kuitenkin kaikkiin vastikkeiden kautta. Kaikilla ei kuitenkaan ole sähköautoa. Sähköauton ja lämpöpumpun vaikutukset voidaan saada vielä eriteltyä sähkölaskuun, mutta jos tehdään ohjauksia ja latauksia lämpöpumppujen välille, jotta piikkejä ei tule, kuka sen maksaa? Kyllä meillä tässä hommia riittää.

Sähköisen talotekniikan osaajat ovat rakennetun ympäristön asiantuntijoita

Sähköisen talotekniikan ja LVI-talotekniikan hankkeissa on selkeä jatkumo ja niitä on jatkuvasti käynnissä yritysten, korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten kanssa. Kallioharju on ollut mukana kansallisissa ja kansainvälisissä hankkeissa vuodesta 2012 lähtien. Samana vuonna alkoi Suomen ensimmäinen sähköjärjestelmän kysyntäjoustohanke silloisen Tampereen teknillisen yliopiston ja LUT-yliopiston kanssa. 

– Teemme koko ajan yliopistojen kanssa tutkimusta, jotka liittyvät muuttuvaan energiajärjestelmään, energiatehokkuuden parantamiseen ja energiamurrokseen. Meidän roolimme on olla siellä se rakennetun ympäristön asiantuntija. Rakennettu ympäristö on osa muuttuvaa energiajärjestelmää. Siihen teemaan sähköisen talotekniikan hankkeet ja tutkimuksetkin kiteytyvät. 

Kuva: Hanna Ylli

Kallioharju toteaa, että matkassa on ollut hyvää tuuria ja sattumuksiakin. Vuonna 2012 Suomen yliopistoissa ei ollut lainkaan sähköisen talotekniikan tutkimusta eikä käytännössä vieläkään Aalto-yliopiston paria teollisuuden maksamaa puolikasta professuuria lukuun ottamatta. 

Yliopistoissa huomattiin, että meillä TAMKissa on osaamista, ja siitä se tutkimusyhteistyö lähti. Energiamurroksen aihepiirissä Tampereen yliopiston kanssa on tälläkin hetkellä menossa energiayhteisöjä ja hiilineutraalin kaupungin konsepteja kehittävä ECADEC-hanke. Hiljattain päättyneitä hankkeita on useampia, ja uusia haetaan koko ajan. 

Kari Kallioharju

Talotekniikan asiantuntijoiden osaaminen ei kuitenkaan ole pelkästään energiaratkaisuja, mistä esimerkkinä on kokoluokaltaankin mittava E3-hanke. Siinä etsittiin vastauksia siihen, miten yhteiskunta voidaan pitää toimintakykyisenä pandemioiden aikana. E3-hankkeessa TAMKin aerosolifysiikan ja talotekniikan osaamista hyödynnettiin monin tavoin puhtaan ja terveellisen sisäilman aikaansaamisessa. Kallioharjun mukaan TAMK on arvostettu kumppani myös näillä osaamisalueilla. 

Väitöskirjatutkija pitää opettamisesta, mutta hänen työaikansa kuluu lähes yksinomaan hankkeisiin ja energiamurroksen tutkimukseen. Kallioharju pitää yksittäisiä luentoja sekä TAMKilla että yliopistolla, ja omana kurssina on jo pidempään ollut valaistussuunnittelu ja ohjaukset. Sen osaamista ei Tampereelta juurikaan löydy. 

Kallioharju vetää myös rakennetun ympäristön ja biotalouden (RYB) yksikössä energiamurroksen tutkimustiimiä. Iso osa työtä on verkostojen ylläpito ja uusien hankkeiden hakeminen.

Kallioharju on iloinen siitä, että Tamperelaisen tutkimustyön tukisäätiö on katsonut hänen väitöskirjansa aiheen tutkimusapurahan arvoiseksi. Apurahan avulla hän voi jatkaa ja syventää tutkimustaan.