Lisaks enam kui miljardi aasta jooksul jahtunud aluskorrakivimitele, on Pleistotseenis toimunud jäätumised omakorda jahutanud Eesti alal nii kristalsel aluskorral lasuvaid settekivimeid kui ka aluskorra kivimite ülaosa kuni kilomeetri sügavuseni (Jõeleht ja Kukkonen, 1996). Kuid vaatamata suhteliselt jahedate kivimite olemasolule Põhjala riikide maapõues on maasoojusenergia kasutuselevõtule Soomes ja Rootsis pööratud viimastel aastakümnetel väga suurt tähelepanu. Näiteks maasoojuspuurauke on Rootsis puuritud viimase 40 aasta jooksul ning tänapäeval on Rootsis kasutusel enam kui 500 000 maasoojuspuurauku – neist umbes 400 000 on kristalsetesse kivimitesse puuritud vertikaalsed GSHP soojuspuuraugud (Andersson ja Gehlin, 2018). Maasoojuspumbad on viimastel aastakümnetel olnud kõige levinum küttesüsteem Soome eramajades (Joonis 1).
Joonis 1. Erinevate küttesüsteemide kasutamine Soome uutes eramutes aastatel 2006–2018 (allikas: Pientalorakentamisen kehittämiskeskus ry)
Maasoojussüsteemid Eestis
Maasoojussüsteeme jaotatakse kinnisteks ja avatud süsteemideks. Kinnise süsteemi puhul toimub soojakandevedeliku ringlus kas puurauku paigaldatud vertikaalse torustiku sees (U-tube collector) või madalale sügavusele maa sisse paigaldatud horisontaalses soojuskontuuris. Mõlemal juhul ringleb soojakandevedelik suletud süsteemis, mis maasoojuspumba (Ground Sourse Heat Pump, GSHP) kaudu annab edasi maasisest soojust hoone küttesüsteemile. Maasoojuspumbas toimub soojusvaheti kaudu soojuse ülekanne, mille käigus tõstetakse kompressori abil hoone küttevee temperatuur sobilikuks põrandaküttele (kuni 35° C) või radiaatorites kasutamiseks (50–60° C). Lisaks kütmisele võib maasoojuspumpa efektiivselt kasutada ka hoone jahutamiseks.
Avatud maasoojussüsteemid koosnevad vähemalt kahest puurkaevust, kuid suuremate hoonete puhul sõltub puurkaevude arv vastavate hoonete kütmiseks või jahutamiseks vajaminevast veekogusest. Avatud maasoojussüsteemi puhul pumbatakse vett tarbekaevust üle maasoojuspumba soojusvaheti tagasi teise puurkaevu. Nende rajamisel eelistatakse soovituslikult kasutada kas 1) pinnakatte põhjavett, 2) maapinnalähedast esimest aluspõhjalist veekihti või 3) kõrgenenud soolsusega veekihte, mida ei saa kasutada joogiveena (Jõeleht ja Paat, 2021).
Peamised Eestis kasutatavad maasoojussüsteemid on:
- horisontaalsed maasoojuskontuurid (Horizontal Ground Heat Exchanger)
- maasoojuspuuraugud (Borehole Heat Exchanger, BHE)
- maasoojuspuurkaevud (Open-system Geoenergy Wells)
Horisontaalse maasoojussüsteemi (pinnasekollektor) puhul paigaldatakse kuni 500 m pikkune kinnine soojuskontuur vähemalt meetrise vahekaugusega paralleelsete ridadena tavaliselt 1–1.2 m sügavusele maapinda. Pinnasekollektori paigaldamisel Eestis lähtutakse tavaliselt juhistest, mis on esitatud Eesti Soojuspumbaliidu poolt (http://www.soojuspumbaliit.ee/Normid) või kirjeldatud Riigi Kinnisvara juhendis soojavarustusele „Tehnilised nõuded mitteeluhoonetele 2021“ (https://nouded.rkas.ee/soojusvarustus-ja-kute). Horisontaalsete maasoojussüsteemide arvu kohta Eestis täpne ülevaade puudub, kuid hinnanguliselt on umbes 90% rajatavatest süsteemidest maapinnalähedased horisontaalsed maasoojussüsteemid (Jõeleht ja Paat, 2021).
Maasoojuspuuraugud on setetesse või kivimitesse puuritud puuraugud, mille sügavus Eestis varieerub enamasti 70 – 250 m vahel ning millesse on maasoojuse transpordiks installeeritud soojuskandevedelikuga täidetud U-kujuline 32–50 mm läbimõõduga plasttoru. Sügavamate kui 500 m sügavuste maasoojuspuuraukude puhul kasutatakse maasoojuse transpordiks koaksiaaltoru. Töös olevate maasoojuspuuraukude arv Eestis oli 2024. aasta maikuu seisuga 4398 (Joonis 2) ning nende puuraukude asukohad on jälgitavad eesti Geoloogiateenistuse (EGT) GIS-geoportaalis (maasoojuspuuraugud ja -kaevud Eestis).
Joonis 2. Kasutusel olevate maasoojuspuuraukude paiknemine Eestis (02.05.2024 seisuga).
Avatud süsteemiga maasoojuspuurkaevude eeliseks võrreldes maasoojuspuuraukudega on võimalus pumbata üle soojusvaheti tunduvalt suuremaid veekoguseid ning sellest lähtuvalt on hoonete kütmise või jahutamise efektiivsus suurem. Ka on suhteliselt madalate maasoojuspuurkaevude puurimismaksumus odavam võrreldes sügavamate maasoojuspuuraukudega. Samas tuleb aga maasoojuspuurkaevude puhul arvestada oluliste hoolduskuludega, mis maasoojuspuuraukude puhul praktiliselt puuduvad. Eesti Looduse Infosüsteemi EELIS andmetel oli 2024. aasta maikuu seisuga maasoojuspuurkaeve Eestis rajatud vaid 94 (Joonis 3 on ekraanitõmmis maasoojuspuurkaevude asukohtadest Eestis (maasoojuspuuraugud ja -kaevud Eestis).
Joonis 3. Kasutusel olevate maasoojuspuurkaevude paiknemine Eestis (02.05.2024 seisuga).
Eesti maapõue termogeoloogilised uuringud
Eesti maapõue termogeoloogilised uuringud Eesti maapõue termogeoloogilisi uuringuid maasoojuse rakendamise eesmärgil on seni teostatud vaid üsna piiratud mahus. Aastatel 1993–2002 tegeles Argo Jõeleht oma doktoritöö raames Eesti maapõue kivimite petrofüüsikaliste omaduste uuringutega puursüdamike materjali alusel koos põhjavee temperatuuride mõõtmistega puuraukudes. Vastavate uuringute andmestik Eesti Alam-Paleosoikumi põhiliste settekivimite petrofüüsikaliste omaduste kohta on koondatud allolevas tabelis (väljavõte tabelist 1; Jõeleht & Kukkonen 2002).
Tabel 1. Peamiste settekivimite termogeoloogilised omadused (soojusjuhtivustegur (λ), efektiivne poorsus (Peff), teratihedus (Dg) ja märgtihedus veeküllastunud olekus (Ds)).
| Kivimi tüüp | λ Wm–1K–1 |
Peff % |
Dg kgm–3 |
Ds kgm–3 |
|---|---|---|---|---|
| Dolomiit | 3,62±0,62 2,50–4,43 (32) |
7,2±3,6 2,2–14,1 (31) |
2777±67 2641–2890 (31) |
2648±98 2427–2827 (31) |
| Lubjakivi | 2,52±0,25 1,97–3,50 (167) |
7,2±3,3 0,8–16,4 (163) |
2719±23 2528–2811 (163) |
2557±52 2393–2679 (163) |
| Dolomiitne mergel | 2,76±0,51 1,79–3,83 (26) |
13,7±6,0 2,5–27,3 (25) |
2804±35 2722–2849 (25) |
2557±125 2291–2792 (25) |
| Kaltsiitne mergel | 2,30±0,21 1,87–2,58 (21) |
13,3±4,3 5,8–21,3 (23) |
2738±23 2712–2816 (23) |
2506±66 2379–2618 (23) |
| Liivakivi | 2,76±0,81 1,73-5,78 (38) |
19,3±6,9 3,3–30,5 (33) |
2546±92 2327–2701 (33) |
2250±155 2010–2614 (33) |
| Aleuroliit | 2,54±0,51 1,57–3,52 (35) |
20,9±5,8 11,3–37,1 (30) |
2622±128 2370–2895 (30) |
2282±143 2048–2569 (30) |
| Savikilt | 2,03±0,68 0,92–2,73 (8) |
19,8±3,7 13,3–25,3 (7) |
2627±246 2282–2888 (7) |
2307±225 2017–2568 (7) |
Kõrgenenud soojusvoo aladel on maasoojusenergia kasutuspotentsiaal suurem, kuid samas tuleb silmas pidada, et Eesti ala geoloogilisest ehitusest lähtuvalt (settekivimite kihtide lõunasuunaline kallakus ning erinevate settekivimite komplekside paksuste muutlikkus) võivad siinse maapõue settekivimite komplekside soojusjuhtivuse määrangud varieeruda suures ulatuses, sõltuvalt konkreetse geoloogilise läbilõike asukohast.
Teatavasti nõuab KeM määrus nr. 43 (§6, p2), et „Soojussüsteemi puurkaevu või -augu ehitusprojekti koostamisel tuleb lisaks käesoleva paragrahvi lõikes 1 nimetatud nõuetele arvestada ka soojustehniliste arvutuste andmeid ja kivimite soojusjuhtivust“. Hetkel on maasoojussüsteemide projekteerimisel kivimite soojusjuhtivuse väärtuste allikana kasutusel peamiselt RKAS vastav juhend soojavarustusele „Tehnilised nõuded mitteeluhoonetele 2021“ (https://nouded.rkas.ee/soojusvarustus-ja-kute) või siis Eesti Soojuspumba Liidu (ESL) juhend ((http://www.soojuspumbaliit.ee/Normid). Paraku ei ole neis juhendites esitatud setete ja kivimite soojusjuhtivuse väärtused alati korrektsed (nt sinisavi soojusjuhtivuse väärtused on RKAS juhendis oluliselt ülehinnatud (λ = 2.6 W/m*K), kuid ESL juhendis aga alahinnatud (λ = 1.3 W/m*K)).
Puuraukude ja puurkaevude baasil maasoojusenergia laiema kasutuselevõtu seisukohalt Eestis oleks vastavaid maasoojussüsteeme rajavatele firmadele vajalik oluliselt suuremahulisema GIS-põhise andmebaasi loomine Eesti maapõue settekivimite soojusjuhtivuse määrangute osas. Eriti oluline on aga teada geoloogilise läbilõike keskmise soojusjuhtivuse väärtust suuremate vertikaalsete maasoojuspuuraukude või -puurkaevude väljade planeerimisel, kus valede algandmete puhul on oht objekti kütte-/jahutussüsteemi ala- või üledimensioneerimiseks, sh süsteemi üledimensioneerimine tähendab maasoojuspuuraukude/-kaevude puurimistööde olulist kallinemist. Geoloogilise läbilõike kivimite keskmise soojusjuhtivuse väärtuse määramiseks kasutatakse maailmas laialdaselt Thermal Response Testi (TRT), mida aga teadaolevalt ei ole Eestis maasoojusuuringute läbiviimisel kasutatud. TRT testi käigus toimub ühtlaselt kuumutatava soojakandevedeliku ringlus puurauku paigaldatud U-kollektoris ning mõõdetakse kollektori sisend- ja väljundtemperatuuri vahet vähemalt 50 tunni jooksul (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_response_test). TRT testi edasiarendus on ADTS (Active Distributed Temperature Sensing) meetod, kus kasutatakse fiiberoptilist kaablit, mis võimaldab mõõta kivimite soojusjuhtivuse väärtusi puuraugu geoloogilises läbilõikes kuni 1m intervalli täpsusega. ADTS meetod on kasutusel Soome Geoloogiateenistuses (GTK) ning vastavaid uuringuid viidi GTK poolt 2023. aastal Eestis läbi ka Jõhvi-1, Kolu-16 ja Paldiski-1 puuraukudes.
Kirjandusviited
Andersson, O. and Gehlin, S., 2018. State-of-the-Art: Sweden. Quality Management in Design, Construction and Operation of Borehole Systems. A work document prepared within IEA ECES Annex 27 “Quality Management in Design, Construction and Operation of Borehole Systems“, 38 pp.
Jõeleht, A. and Kukkonen, I.T., 1996. Heat flow density in Estonia—assessment of palaeoclimatic and hydrogeological effects. Geophysica, 32, pp. 291-317.
Jõeleht, A., 1998. Geothermal studies of the Precambrian basement and Phanerozoic sedimentary cover in Estonia and Finland. PhD Thesis, Tartu University Press, 119 pp.
Jõeleht, A. and Kukkonen, I.T., 2002. Physical properties of Vendian to Devonian sedimentary rocks in Estonia. GFF, 124, pp. 65-72.
Jõeleht, A. ja Paat, R., 2021. Maasoojussüsteemide rajamisega seotud seadusandlik regulatsioon ja selle muutmise vajadus. Marek (Tartu Ülikool), Tartu, 51 lk.
