Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut

Transkriptio

1 ASIAKASRAPORTTI VTT-CR Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut Kirjoittajat: Ari Laitinen, Miika Rämä, Miimu Airaksinen Luottamuksellisuus: Julkinen

2

3 2 (63) Sisällysluettelo 1. Toimeksiannon kuvaus ja tavoitteet Menetelmät ja toteutus Jäähdytyksen nykytila Jäähdytyksen tarve Rakennusten jäähdytysjärjestelmät Suorahöyrystysjärjestelmät Välilliset järjestelmät Kiinteistökohtaiset järjestelmät Kaukojäähdytysratkaisut Jäähdytysteknologioiden kartoitus Jäähdytyksen tuotantoteknologiat Kompressoriteknologia Kylmäainetilanne Kompressorivaihtoehdot Muut jäähdytysteknologiat Kiinteän olomuodon teknologiat Elektromekaaniset teknologiat Lämpökäyttöiset jäähdytysteknologiat Vapaajäähdytys Ulkoilma Maaperä Vesistöt Pohjavesi Lumi- ja jäävarasto Jakelu Nanofluidit Hiilidioksidi Varastointi Vesivaraajat Faasimuutosvaraajat Kyselyn tulokset Jäähdytyksen tuotantoteknologioiden analyysi Johtopäätökset ja yhteenveto... 52

4 3 (63) 1. Toimeksiannon kuvaus ja tavoitteet Rakennusten energiankulutus on muuttunut viime vuosikymmenien aikana. Vaikka edelleen koko rakennuskannassamme lämmitysenergiankulutus on merkittävässä asemassa, on jäähdytyksen osuus kasvussa. Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ja sitä kautta lämpötiloille ovat kasvaneet, mikä on lisännyt jäähdytyksen tarvetta sekä uusissa että peruskorjattavissa rakennuksissa. Samanaikaisesti energia- ja päästötavoitteet antavat reunaehtoja tuottaa jäähdytys mahdollisimman tehokkaasti, jolloin ei ole yhdentekevää, miten jäähdytys rakennuksiin tuotetaan. Hankkeen tavoitteena oli selvittää eri jäähdytysteknologioiden nykytilanne ja mahdollisuudet uuden liiketoiminnan kehittämiseksi. Selvityksessä tarkasteltiin lähtökohtaisesti kaukojäähdytyksen tuotantoon soveltuvia teknologioita, mutta myös kiinteistökohtaisen jäähdytyksen ratkaisuja. Kiinteistökohtaisissa teknologioissa ensisijaisena tarkastelun kohteena on mahdollisuudet hyödyntää kaukolämpöä energialähteenä. 2. Menetelmät ja toteutus Tutkimuksessa koostuu kolmesta kokonaisuudesta 1) olemassa olevien jäähdytysteknologioiden kartoitus, 2) olemassa olevien jäähdytysteknologioiden analyysi ja 3) teknologian kehityssuunnat. Olemassa olevia jäähdytysteknologioita ja niiden soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin kartoitettiin kirjallisuuteen, julkaistuihin uusimpiin tutkimustuloksiin sekä uusimpiin pilotteihin pohjautuen. Suomen lisäksi tarkasteltiin myös muissa maissa käytettyjä teknologioita. Lisäksi tehtiin kysely muutamille suuria kiinteistömassoja omistaville tahoille sekä muutamille teknologiatoimittajille. Analyysissä pohdittiin teknologian soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin, energiatehokkuutta, ympäristöystävällisyyttä sekä investoinnin suuruutta. Kaikista teknologioista ei ollut saatavilla kattavasti investointitietoja ja osittain teknologiat eivät ole suoraan vertailtavissa toisiinsa, josta syystä analyysia voidaan pitää suuntaa antavana. Teknologioiden kehityssuuntia arvioitiin tulevaisuuden tarpeiden fokuksesta (ts. minkälaisia teknologioita tarvitaan) sekä mihin teknologinen kehityssuunta tällä hetkellä on menossa ja mitkä voivat olla uusia kehityssuuntia jäähdytysteknologioissa. 3. Jäähdytyksen nykytila 3.1 Jäähdytyksen tarve Suomen jäähdytysenergian tarve koostuu teollisten prosessien sekä rakennusten jäähdytyksen tarpeesta. Teollisten prosessien jäähdytyksen kriteereinä ovat luonnollisesti prosessin tarpeet. Teollisten prosessien jäähdytyksen tarpeen kehitystä on vaikeampi arvioida kuin rakennusten tarvetta, sillä se on kiinni teollisuuden suhdanteista. (Airaksinen et al. 2015) Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ja lämpötiloille ovat kasvaneet. Tämä on lisännyt jäähdytyksen tarvetta sekä uusissa että peruskorjattavissa rakennuksissa. Energiakulutuksen ja päästöjen vähennystavoitteet velvoittavat tuottamaan jäähdytyksen mahdollisimman tehokkaasti ja uusiutuvia energialähteitä hyödyntäen. Energiatehokkuusdirektiivin artikla 14 velvoittaa jäsenvaltioita selvittämään tehokkaan kaukojäähdytyksen potentiaalin.

5 4 (63) Suomessa liike- ja julkiset rakennukset sekä arvokkaimmat kerrostalorakennukset on varustettu jo jonkin aikaa jäähdytysjärjestelmällä. Viime vuosien helteisinä kesinä myös erityisesti pientaloja sekä jossain määrin kerrostaloja on alettu varustaa ilmalämpöpumpuilla, joita voidaan käyttää lämmittämisen lisäksi tilojen jäähdyttämiseen. Järjestelmät ovat tyypillisesti kiinteistökohtaisia ja toimivat sähköllä. (Airaksinen) Myös rakennusten jäähdytysmarkkinoiden koon määritykseen liittyy paljon epävarmuutta. Noin 2100 gigawattitunnin jäähdytystarpeeseen vuodessa päästään laskemalla bruttojäähdytystarve olettamalla rakennusten ikkunat hyvin valoa läpäiseviksi ja vailla kaihtimia. Auringonsuojauksella ja ylilämmön tuuletuksella jäähdytystarve pienenee 850 gigawattituntiin. Trendiennusteen mukaan jäähdytystarpeen kasvu vuoteen 2030 mennessä on noin 2 prosenttia vuodessa, joka on hieman enemmän kuin rakennuskannan kasvu. (Airaksinen et al. 2015) Kaukojäähdytyksen toimitusten kasvu 190 GWh:iin viime vuosina on johtunut tarjonnan lisääntymisestä. Kaukojäähdytykseen on liitetty sekä vanhoja että uusia kiinteistöjä. Paikallisesti markkinaosuus on suurin Helsingissä, missä myös jäähdytysenergiatiheys on suurin. Vuoteen 2030 toimitusten määrä voi kasvaa keskimäärin 6 prosenttia vuodessa noin 490 GWh:iin. Tämä edellyttää kuitenkin sitä, että Suomen talous kehittyy myönteisesti ja rakennusten jäähdytykseen kehitetään uusia toimintamalleja. (Airaksinen et al. 2015) Kaukojäähdytys on vain yksi malli rakennusten jäähdytysliiketoimintaan. Se sopii jäähdytysenergian kulutuksen intensiivisille alueille. Väljillä alueilla sijaitsevien rakennuskeskittymien jäähdyttämiseen sopivat yksittäisten rakennusten järjestelmistä skaalatut järjestelmät, joissa käytetään joko uusiutuvia energialähteitä tai kierrätetään energiaa. Oleellista on energiayhtiöiden kyvykkyys tarjota ja neuvotella asiakkaan kanssa molempia tyydyttävä toimintamalli. Euroopan (EU27) jäähdytysmarkkinoiden koko on noin 330 TWh, jonka arvioidaan nousevan 500 TWh:iin vuoteen 2030 mennessä. Kaukojäähdytyksen osuus noin prosentti, 3 TWh. Eniten kaukojäähdytystä tuotetaan Ranskassa (0,9 TWh), Ruotsissa (0,9 TWh), Saksassa (0,3 TWh), Suomessa (0,19) ja Norjassa (0,15 TWh). Kaukojäähdytyksen määrän ennakoidaan pysyvän Euroopassa nykytasolla lähinnä talouden tilan takia. Ruotsin mallin mukainen kehitys nelinkertaistaisi kaukojäähdytyksen tuotannon vuoteen 2030 mennessä. (Airaksinen et al. 2015) 3.2 Rakennusten jäähdytysjärjestelmät Rakennuksen tilojen ja ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmät voidaan jakaa esimerkiksi suorahöyrysteisiin ja välillisiin järjestelmiin, jota jakoa käytetään seuraavassa esityksessä Suorahöyrystysjärjestelmät Suorahöyrystysjärjestelmissä höyrystimellä jäähdytetään suoraan ilmanvaihdon ilmaa (höyrystin ilmanvaihtokoneessa) tai tilan ilmaa jäähdytetään kierrättämällä höyrystimen läpi, kuva 1. Tyypillisiä suorahöyrystysjärjestelmiä ovat pientaloissa käytettävät ilmailmalämpöpumput, joilla voidaan sekä jäähdyttää että lämmittää huoneistoa. Nämä pientalojen ilmalämpöpumput ovat tyypiltään ns. split-järjestelmiä, joissa höyrystin sijaitsee rakennuksen sisällä ja lauhdutin sekä kompressori sijaitsevat ulkona. Isommissa rakennuksissa voi olla käytössä useampia, eri tiloihin asennettuja höyrystimiä kytkettynä samaan ulkoyksikköön. Tällöin puhutaan ns. multisplit-järjestelmästä, jossa eri höyrystimien tehoa säädetään kuristamalla kylmäainevirtausta tilan jäähdytystarpeen mukaan (ns. VRFteknologia = Variable Refrigerant Flow) ja kompressoria säädetään järjestelmän kokonaisjäähdytystarpeen mukaan esimerkiksi kierroslukusäätöisesti invertterillä.

6 5 (63) Kuva 1. Suorahöyrystysjärjestelmän periaate (Motiva). Suorahöyrystysjärjestelmät ovat suhteellisen yksinkertaisen tekniikkansa ansiosta hankintakustannuksiltaan edullisia ja lähtökohtaisesti energiatehokkaita, koska järjestelmissä ei tarvita ylimääräisiä lämmönsiirtimiä ja pumppuja. Järjestelmän edut ovat hyödynnettävissä erityisesti pientaloissa. Järjestelmän negatiivisiin ominaisuuksiin kuuluvat mahdolliset meluhaitat sekä sisällä että ulkona eikä laitteiden sijoittaminen isompiin rakennuksiin ole ongelmatonta. Järjestelmällä ei voida hyödyntää vapaajäähdytystä. Jäähdytys on usein myös tilakohtaista, jolloin osa huoneistosta jää toiminta-alueen ulkopuolelle. Suorahöyrystysjärjestelmissä käytetään lähes yksinomaan sähkökäyttöisiä kompressoreita. Laitteiden tekniikka on viime vuosina kehittynyt erityisesti säätöjärjestelmän osalta, jossa hyödynnetään invertteritekniikkaa. Sen ansiosta nykyisillä laitteilla saavutetaan hyvä energiatehokkuus (COP = coefficient of performance) osakuormitustilanteissa. Laitteita voidaan usein käyttää sekä jäähdytykseen että lämmitykseen Välilliset järjestelmät Välillisissä järjestelmissä tilojen ja ilmanvaihdon jäähdytys on toteutettu erillisillä jäähdytyspattereilla, joiden läpi kierrätetään jäähdytysnestettä. Jäähdytysneste on rakennusten jäähdytysratkaisuissa useimmiten vettä. Vesi jäähdytetään jäähdytyskoneikossa sijaitsevalla höyrystimellä ja prosessissa syntyvä lämpö siirretään joko suoraan lauhduttimella ulkoilmaan, maahan (porakaivo), vesistöön (meri, järvi, joki) tai lämmöntalteenottojärjestelmään, kuva 2. Lauhduttimen ylijäämälämpö voidaan siirtää myös välillisesti lämmönsiirtonesteen välityksellä edellä mainittuihin lämpönieluihin, jolloin lämmöntalteenotto on joustavampaa.

7 6 (63) Kuva 2. Välillisen jäähdytysjärjestelmän periaate (Motiva) Kiinteistökohtaiset järjestelmät Kiinteistökohtaiset järjestelmät ovat lähes poikkeuksetta välillisiä järjestelmiä. Tyypillisessä järjestelmässä kylmäntuotto on toteutettu sähkökäyttöisillä kompressoreilla ja rakennuksen jäähdytyspiirissä kiertää vesi, jolla jäähdytetään ilmanvaihdon tuloilmaa (ilmastoinnin jäähdytyspatteri) sekä tiloja (suutinkonvektorit, palkit, kattojäähdytys, lattiaviilennys). Lauhdutus on järjestetty useimmiten välillisesti kylmäliuoskierrolla (pakkasenkestävä liuos, esimerkiksi glykoli) ja lämpö siirretään ulkoilmaan liuosjäähdyttimellä. Tapauksissa, joissa rakennuksessa on jäähdytystarvetta myös keväisin ja syksyisin, käytetään usein vapaajäähdytyskytkentää (kuva 3). Vapaajäähdytyksellä voidaan jäähdyttää suoraan rakennusta silloin kun ulkoilman lämpötila on riittävän alhainen. Järjestelmässä käytetään pienehköä vesivaraajaa kytkettynä rakennuksen jäähdytyspiiriin, jolla lähinnä tasataan kompressoreiden käyntiä. Rakennuksen jäähdytyspiirin tyypilliset mitoituslämpötilat ovat +7 C / +12 C, joita käytetään myös tuloilman jäähdytyspattereissa sekä konvektoreissa. Palkkiverkosto ja rakenteisiin integroidut jäähdytysjärjestelmät, mitoitetaan huomattavasti korkeammalle lämpötilatasolle esimerkiksi +15 C / +18 C. Kiinteistökohtaisessa järjestelmässä on mahdollista valita rakennuksen jäähdytyspiirin mitoituslämpötilat joustavasti ja vaihdella lämpötilatasoja jäähdytystarpeen mukaan, jolloin kylmäkoneiston energiatehokkuutta voidaan optimoida. Järjestelmä on myös mahdollista varustaa lauhdelämmön talteenotolla, jos kiinteistössä on samanaikaista jäähdytys- ja lämmitystarvetta. Kiinteistökohtaisia jäähdytysjärjestelmiä käytetään etenkin toimistorakennuksissa.

8 7 (63) Kuva 3. Kiinteistökohtainen välillinen jäähdytysjärjestelmä, jossa on myös vapaajäähdytysmahdollisuus (Laine) Kaukojäähdytysratkaisut Kaukojäähdytyksellä tarkoitetaan keskitetyssä tuotantolaitoksessa liiketoimintana tuotetun jäähdytetyn veden jakelua putkiston välityksellä useille rakennuksille tilojen ja ilmastoinnin jäähdytykseen, kuva 4. Tämä määritelmä kattaa myös kirjallisuudessa käytetyn ns. aluejäähdytyksen. Jäähdytysenergiaa voidaan toimittaa myös teollisuuden prosessien tai elintarviketeollisuuden valmistus- ja säilytystilojen jäähdyttämiseen. Toimintaperiaate on verrattavissa kaukolämmitykseen, sillä poikkeuksella, että kaukojäähdytyksessä asiakkaalta siirretään ylimääräinen lämpö energiayrityksen kaukojäähdytysveteen. Kuva 4. Kaukojäähdytysjärjestelmä, jossa kylmäntuoton lauhde-energiaa hyödynnetään kaukolämpöjärjestelmässä (Helen Oy). Rakennuskohtaiseen jäähdytykseen verrattuna kaukojäähdytys on ympäristöystävällinen, vaivaton ja luotettava jäähdytysenergian lähde. Kaukojärjestelmissä päästään suurempiin yksikkökokoihin, jolloin jäähdytysenergiaa voidaan tuottaa energia- ja kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisesti. Kaukojäähdytysjärjestelmässä on mahdollista helpommin

9 8 (63) hyödyntää vapaajäähdytystä, kylmän varastointia ja jäähdytyksessä syntyvää lauhdutuslämpöä. Asiakkaat hyötyvät myös monin muin tavoin: jäähdytyskoneiden aiheuttamat ilma- ja runkoäänet ja tärinä vältetään, jäähdytyskoneille varatut tilat vapautuvat muuhun käyttöön, julkisivua rumentavia lauhdutusyksiköitä ei tarvita ja jäähdytyskoneiden huolto ja kunnossapito poistuu kiinteistön vastuulta. Seuraavassa on esitetty Energiateollisuus ry:n jäsenyritysten kaukojäähdytyksen tuotantotehon kehitys viimeisen viidentoista vuoden ajalta (kuva 5) sekä kaukojäähdytysenergian tuotannon jakauma vuodelta 2015 (kuva 6). Lisää tilastotietoa löytyy Energiateollisyys ry:n tilastoista ( Kaukojäähdytyksen tuotantoteho on kasvanut voimakkaasti viimeisten kymmenen vuoden aikana, kuva 5. Vapaajäähdytyksen tuotantoteho on suurin, jonka jälkeen tulee lämpöpumput sekä absorptio ja kompressorilaitokset. Energiamääräisesti kaukojäähdytystä tuotetaan selvästi eniten lämpöpumpuilla, kuva 6. Lämpöpumput ovat kompressorikäyttöisiä jäähdytyslaitteita, joiden lauhdelämpöä hyödynnetään kaukolämmön tuotannossa. Merkille pantavaa on, että absorptiojärjestelmiin ja pelkästään jäähdytykseen käytettävään kompressoritekniikkaan ei kymmeneen vuoteen ole investoitu. Kuva 5. Kaukojäähdytyksen tuotantotehon kehittyminen vuosina (Energiateollisuus ry ). Kuva 6. Kaukojäähdytysenergian tuotannon jakauma vuonna 2015, kun kokonaistuotanto oli 182 GWh (Energiateollisuus ry ).

10 9 (63) SunZeb-konsepti SunZeb-konsepti on kaukolämmitetyn ja -jäähdytetyn alueen plusenergiaratkaisu, jossa huomioidaan rakennuksen mahdollisuudet energian kierrätykseen. Tämä lisää paikallista uusiutuvan energian käyttöä ja vähentää päästöjä. Energiatehokkaan rakennuksen ja kaupunkirakenteen suunnitteluratkaisun perustana on aluetason kaukolämmitys ja - jäähdytys. Konsepti mahdollistaa jäähdytysenergian kierrättämisen uusiutuvana energiana takaisin kaukolämpöverkkoon. Konsepti käsittää myös integroidun lämmön ja kylmän jakelujärjestelmän rakennustasolla, missä sama huonelaite tuottaa sekä lämpö- että jäähdytyspalvelut. Uusiutuvan aurinkoenergian saanto kierrätettäväksi mahdollistetaan rakennuksen laajoilla lasipinnoilla. Tasokas aurinkoarkkitehtuuri yhdessä talotekniikan kanssa mahdollistaa käyttäjille laadukkaat sisäolosuhteet. (Shemeikka et al. 2015) :nnen sukupolven kaukolämmitys ja -jäähdytys Euroopassa kehitellään ns. 4:nnen sukupolven kaukolämpö ja -jäähdytysjärjestelmää (4GDH). Terminä ja määritelmänä 4GDH on verraten uusi, sillä tieteellisessä artikkeli aiheesta on julkaistu vasta 2014 (Lund et al. 2014). Neljännen sukupolven kaukolämmitysjärjestelmä yhdistää kaukolämmityksen ja -jäähdytyksen älykkäisiin energiajärjestelmiin. 4GDH:oon keskeisiä tavoitteita ovat matalalämpötilaiset järjestelmät, jotka edistävät ylijäämälämmön ja uusiutuvien energioiden hyödyntämistä. 4GDH yhdistää eri energiaverkot (lämmitys + jäähdytys + sähkö), jossa optimoidaan energiajärjestelmän toimintaa eli energian tuotantoa, jakelua ja varastointia vastaamaan tiettyä kulutusta (kuva 7). Kuva 7. Kaukolämmityksen ja kaukojäähdytyksen sukupolvet (Lund et al. 2014). Jäähdytyksen tuoton osalta kehityssuunta painottaa kaukojäähdytysratkaisua rakennuskohtaisten jäähdytysjärjestelmien sijaan.

11 10 (63) 4. Jäähdytysteknologioiden kartoitus 4.1 Jäähdytyksen tuotantoteknologiat Jäähdytysteknologiat on tässä raportissa jaoteltu kuvan 8 mukaisesti kolmeen eri kategoriaan: 1) kompressoritekniikat, 2) muut menetelmät ja 3) vapaajäähdytys. Kompressorijäähdytys perustuu perinteiseen kylmäainekiertoon (käänteinen Clausius- Rankine-prosessi). Kompressoritekniikat on jaoteltu kompressorityypin perusteella. Vapaajäähdytystekniikat on jaoteltu lämpönielun perusteella neljään eri luokkaan. Muut menetelmät (englanniksi not-in-kind eli NIK) on tässä raportissa jaoteltu lähteessä Goetzler 2014 esitettyyn tapaan kolmeen eri ryhmään (kuva 9): 1) kiinteän olomuodon tekniikat (solid-state technology), 2) elektromekaaniset tekniikat (electro-mechanical technology) ja 3) lämpökäyttöiset menetelmät (thermally driven technology). Kuva 8. Jäähdytysteknologioiden jaottelu tässä raportissa. Kuva 9. Muiden jäähdytysteknologioiden (NIK) jaottelu tässä raportissa (Goetzler et al. 2014).

12 11 (63) Kompressoriteknologia Kompressoriteknologiat ovat ehdottomasti käytetyimmät jäähdytysteknologiat kylmätekniikassa ja rakennusten jäähdytyksessä jopa yli 90 % sovelluksista perustuu kompressorijäähdytykseen Kylmäainetilanne Kompressoriteknologioissa käytettyjen kylmäaineiden kehitystä on viime vuosikymmenten aikana ohjannut voimakkaasti ilmastonsuojelu. Kylmäaineiden ilmastovaikutuksista nousi ensin esille otsonikato, jota hillitsemään sovittiin kansainvälisesti tiettyjen kylmäaineiden käytön rajoituksista ja vähittäisestä käytöstä poistamisesta jo 1980-luvulla (Montrealin pöytäkirja 1987). Osaltaan nämä kylmäaineiden käyttörajoitukset ovat olleet menestyksellisiä viime vuosina raportoitujen tutkimustulosten valossa, joissa on havaittu otsoniaukkojen pienentyneen merkittävästi. Otsonikadon jälkeen on havahduttu siihen, että klooria sisältäneitä kylmäaineita korvaamaan käyttöön otetut fluoratut hiilivedyt ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, jotka ilmakehään joutuessaan myötävaikuttavat ilmaston lämpenemiseen. Näiden kylmäaineiden käyttöä ollaan voimakkaasti rajoittamassa kansainvälisillä sopimuksilla. Euroopassa on vuonna 2014 julkistettu uusi kylmäaineiden käyttöä rajoittava F-kaasuasetus (EU) N:o 517/2014. F-kaasuasetuksen myötä kasvihuonekaasujen päästöjä pyritään hillitsemään vaiheittaisilla rajoituksilla vuoteen 2030 mennessä (taulukko 1). Kylmäaineiden käytön rajoituksilla on ollut merkittävä vaikutus koko kylmäsektoriin ja suuria muutoksia on edelleen käynnissä. Tavoitteena on kehittää uusia ympäristöystävällisiä kylmäaineita ja niiden käyttöön soveltuvia komponentteja ja järjestelmiä. Kylmäaineiden kasvihuonevaikutusta mitataan GWP-indeksillä. GWP-luku (Global Warming Potential) kertoo, kuinka paljon suurempi on kyseessä olevan kylmäaineen vaikutus ilmaston lämpenemiseen 100 vuoden aikana kuin vertailuarvona käytettävän hiilidioksidin (CO 2). Hiilidioksidin GWP-arvo on 1 ja esimerkiksi kylmäaineen R404A GWP-luku on 2088 eli sen vaikutus ilmaston lämpenemiseen on runsaat parituhatta kertaa suurempi kuin hiilidioksidin. Taulukko 1. Kylmäaineiden käytönrajoitusten aikataulu (Bitzer). HFC-kylmäaineiden käyttömäärä määritellään CO 2-ekvivalenttitonneina ja taulukossa tämä on ilmaistu prosentteina verrattuna vuosien keskimääräiseen kulutukseen (Bitzer). Vuosi HFC-kylmäaineiden käyttömäärä Teoreettinen vastaava keskimääräinen GWP-arvo % % % % % % % <500 Jäähdytystekniikassa on yleisesti käytössä voimakkaita kasvihuonekaasuja, kuten R404A, R407C ja R410A. Näiden kylmäaineiden käyttöä korvaamaan on kehitetty uusia kylmäaineita, joiden GWP-indeksi on alhainen, ja toisaalta on otettu käyttöön ns. luonnollisia kylmäaineita, joiden GWP-indeksi on korkeintaan Vaihtoehtoiset uudet kylmäaineet Vaihtoehtoisia kylmäaineita on kehitetty HFO-yhdisteistä (R1234yf ja R1234ze(E)) sekä niiden ja HFC-yhdisteiden seoksista, esimerkiksi R448A, sekä myös alhaisen GWP-arvon HFC aineista, kuten R32. Seuraavassa on esitetty hieman tarkemmin vaihtoehtoisia kylmäaineita yleisimpien jäähdytyksessä käytettyjen korkeahkon GWP-arvon omaavien kylmäaineiden tilalle.

13 12 (63) R134a:n korvaavat kylmäaineet Kylmäainetta R134a käytetään yleisesti ilmastoinnin jäähdytyskoneikoissa ja myös kaukojäähdytysratkaisuissa. Kiinteissä järjestelmissä R134a ei toistaiseksi kuulu uuden F- kaasuasetuksen käyttökiellon piiriin, suhteellisen alhaisen GWP-arvonsa 1430 johdosta. Sen käyttö on kuitenkin kiellettyä liikkuvien järjestelmien (ajoneuvot) jäähdytyslaitteissa. Vaikka R134a ei kuulu suoranaisesti kiellettyjen aineiden joukkoon, sen käyttöä hankaloittaa tulevaisuudessa F-kaasuasetuksessa HFC kylmäaineille määritellyt kiintiöt ja kiintiöiden vähittäinen pienentäminen vuoteen 2030 mennessä. Taulukossa 2 on esitetty kirjallisuudessa (Bitzer) esitettyjä vaihtoehtoja ja joitain niiden ominaisuuksia. Taulukko 2. R134a:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer). Kylmäaine Ominaisuuksia R152a Palava aine, joka rajoittaa sen käyttöä. Lämpöteknisiltä ominaisuuksiltaan melko lähellä R134a:ta. GWP = 124 R1234yf Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet lähellä R134a:ta, GWP=4. Käyttö erityisesti autojen ilmastoinnissa R1234ze(E) Lievästi palava aine, tilavuustuotto pienempi kuin R134a, GWP = 7 R407C:n korvaavia kylmäaineita R407C kylmäaineen GWP-arvo on 1774, ja vaikka se ei kuulukaan suoranaisesti F- kaasuasetuksen kiellettyjen aineiden listalle, niin sille etsitään alhaisemman GWP-arvon omaavia vaihtoehtoja. R407C:tä käytetään verraten yleisesti kierukka-, mäntä- ja ruuvikompressoreilla varustetuissa jäähdytyskoneikoissa. Ainakaan toistaiseksi vaihtoehtoisia uusia synteettisiä kylmäaineita ei juuri ole esitetty paitsi taulukossa 3 mainitut R32:n ja HFO-kylmäaineiden seokset. Taulukko 3. R407C:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer). Kylmäaine Ominaisuuksia R32 ja HFO-kylmäaineiden seokset Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet lähellä R410A:ta, GWP= R410A:n korvaavia kylmäaineita R410A:n GWP-indeksi on 2088 eli melko korkea, mutta sen käyttöä ei ole suoranaisesti kielletty nykyisen F-kaasuasetuksen mukaan. Korkean GWP-arvon vuoksi sille etsitään korvaavia vaihtoehtoja, joita on lueteltu taulukossa 4. R410A:ta käytetään laajasti mm. kierukkakompressorikäyttöisissä ilma-ilmalämpöpumpuissa. Muutama laitetoimittaja on jo korvannut R410A:n uusissa koneikoissa R32:lla. Taulukko 4. R410A:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer). Kylmäaine Ominaisuuksia R32 Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet lähellä R410A:ta, GWP=675. R32 ja HFO-kylmäaineiden seokset Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet lähellä R410A:ta, GWP= R290 Palava aine, tilavuustuotto merkittävästi pienempi kuin R410A:lla, GWP = 7 R1270 Palava aine, tilavuustuotto merkittävästi pienempi kuin R410A:lla, GWP = Luonnolliset kylmäaineet Luonnollisia kylmäaineita ovat: 1) erilaiset hiilivedyt (HC) kuten isobutaani (R600a), propaani (R290), 2) hiilidioksidi (R744), 3) ammoniakki (R717), 4) vesi (R718) ja 5) ilma. Rakennusten

14 13 (63) jäähdytykseen näistä soveltuvat muut paitsi ilma, jonka sovellusalue on parhaimmillaan erittäin matalissa, alle -50 C:een, lämpötiloissa, kuva 10. Lämpötila HC CO 2 NH 3 H 2 O Air 100 C 60 C Käyttövesi 20 C 0 C -20 C Käyttövesi Ilmastointi Jäähdytys Kylmäliuos Jäähdytys Ilmastointi Jäähdytys Kylmävarasto Pakastus Ilmastoi nti Jäähdytys -40 C Pakastus Pakastus -100 C Kuva 10. Luonnolliset kylmäaineet ja niiden tyypilliset sovelluslämpötilat ( Kompressorivaihtoehdot Taulukossa 5 on esitetty nykyisin käytössä olevat kompressorivaihtoehdot ja arvio sovellusten tehoalueista (Siemens). Taulukko 5. Käytössä olevat kompressoritekniikat ja niiden tyypilliset tehoalueet (Siemens). Tekniikka Tehoalue (jäähdytyslämpötila 0 C) Kierukka kw Mäntä 0 1 MW Ruuvi 0,2 5 MW Turbo 0,35 30 MW Viimeaikojen kehitys on johtamassa jäähdytysteholtaan yhä suurempiin yksikkökokoihin. Seuraavassa on lyhyesti esitelty kaikki kompressorityypit ja niiden erityispiirteitä Kierukkakompressorit Kierukkakompressoreita (scroll-kompressori) käytetään yleisesti pienissä teholuokissa esimerkiksi jääkaapeissa, lämpöpumpuissa ja ilmastoinnin jäähdytyslaitteissa. Kierukkakompressoreiden (kuva 11) hyötysuhde ja tuotto ovat paremmat kuin mäntäkompressoreiden, lisäksi niiden ääniominaisuudet ja säädettävyys (invertteri) ovat hyvät. Ne ovatkin syrjäyttäneet monessa pienen teholuokan sovelluksessa mäntäkompressorit. Käytetyimmät kylmäaineet ilmastoinnin jäähdytyksessä ovat R410A ja R407C. Käytetyin säätötapa ilmastoinnin jäähdytyksessä perustuu kompressorien pysäytykseen ja käynnistykseen (on-off-säätö), myös taajuusmuuttajien käyttö on mahdollista. Mitään erityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina.

15 14 (63) Kuva 11. Kierukkakompressori (Danfoss) Mäntäkompressorit Mäntäkompressorit ovat perinteistä ja edelleen kilpailukykyistä tekniikkaa monissa sovelluksissa. Esimerkiksi hiilidioksidia kylmäaineena käyttävissä jäähdytysjärjestelmissä käytetään mäntäkompressoreita. Ilmastoinnin jäähdytysratkaisuissa mäntäkompressorien käyttö tosin on nykyisin harvinaisempaa. Tehonsäätö perustuu sarjavalmisteisissa koneikoissa usein on-off-säätöön. Taajuusmuuttajien käyttö on mäntäkompressoreillakin mahdollista. Mitään erityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina Ruuvikompressorit Ruuvikompressoreita käytetään yleisesti ilmastoinnin jäähdytyksessä etenkin hieman suuremmissa teholuokissa. Käytetyimmät kylmäaineet ovat R134a, R410A ja R407C. Taajuusmuuttajien käyttö tehonsäädössä on mahdollista, joskin edelleen harvinaista. Säätö toteutetaan yleisimmin luistisäädöllä. Taajuusmuuttajasäädöllä pystytään parantamaan laitteiston osakuormituksen kylmäkerrointa merkittävästi luistisäätöön verrattuna. Mitään erityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina Turbokompressorit Turbokompressoreita käytetään erityisesti teholuokaltaan suurimmissa jäähdytyskoneissa, tyypillisesti yli 1 MW:n koneistoissa. Käytetyimmät kylmäaineet ovat ilmastoinnin jäähdytyksessä R134a ja teollisuussovelluksissa R717 (ammoniakki). Monella valmistajalla on tarjota myös uusilla kylmäaineilla, erityisesti R1234ze(E) toimivia ratkaisuja. Tehonsäädössä käytetään taajuusmuuttajia ja johtosiipisäätöä. Turbokompressoreiden teknisessä kehityksessä on tapahtunut parannusta ennen kaikkea magneettisen laakeroinnin myötä. Magneettinen laakerointi (kuva 12) mahdollistaa öljyttömän kompressorin ja kompressorien kierrosnopeuden kasvattamisen. Suuremmat kierrosnopeudet merkitsevät suurempia tehoja. Lisäksi kompressoreiden energiatehokkuus parantuu pienentyneen kitkan ja parantuneen lämmönsiirron (ei öljyä lämmönvaihtimissa) ansiosta. Etuina ovat myös yksinkertaisempi järjestelmä, koska öljynkäsittelyyn liittyviä komponentteja ei tarvita. Magneettinen laakerointi vähentää kompressoreiden kulumista pidentäen käyttöikää, huoltotarvetta (ei öljynvaihtoja), melua ja värähtelyjä. Useilla valmistajilla on jo tarjota magneettista laakerointia.

16 15 (63) Kuva 12. Turbokompressorin magneettinen laakerointi mahdollistaa öljyttömän ratkaisun (Hinckley 2010). Magneettilaakeroidut turbokompressorit ovat erään valmistajan antamien tietojen mukaan noin 10 % kalliimmat kuin teholtaan vastaavat ruuvikompressorit, mutta huolto- ja energiakustannuksiltaan edullisemmat, jolloin magneettisen laakeroinnin takaisinmaksuajaksi on laskettu alle 5 vuotta Muut jäähdytysteknologiat Kiinteän olomuodon teknologiat Kiinteän olomuodon teknologioista esitellään magneettinen jäähdytys ja lämpösähköinen jäähdytys. Lämpösähköinen jäähdytys on jo pitkään käytetty jäähdytysteknologia erikoiskohteissa, kuten kuljetettavissa jäähdytyslaitteissa, joissa jäähdytysjärjestelmältä edellytetään vähäistä tilantarvetta ja keveyttä. Magneettinen jäähdytys on vasta tulossa markkinoille, ja ensimmäisinä sovelluskohteina ovat jääkaapit ja kaupan kylmäkalusteet Magneettinen jäähdytys Magneettinen jäähdytys perustuu eräiden materiaalien magnetokaloriseen ilmiöön: kun magnetokalorinen materiaali liikkuu magneettikentässä, syntyy lämpöä magnetoitumisessa. Syntynyt lämpö siirretään esimerkiksi jäähdyttävän liuoskierron välityksellä prosessista pois. Tämän jälkeen magnetokalorinen materiaali demagnetoidaan, joka sitoo lämpöä ympäristöstä, esimerkiksi jäähdytyspiirin liuoksesta. Tätä prosessia on havainnollistettu ja vertailtu perinteiseen kompressoriprosessiin kuvassa 13. Kuva 13. Kompressori- ja magneettijäähdytyksen vertailua (Viuf 2012).

17 16 (63) Magneettista jäähdytystä on käytetty jo pitkään, kun on tavoiteltu äärimmäisen alhaisia lähellä absoluuttista nollapistettä olevia lämpötiloja. Magneettista jäähdytystä on kehitetty varsin nopeasti viimeisen vuosikymmenen aikana erityisesti jääkaappien jäähdytykseen ja ensimmäiset kaupalliset tuotteet on julkistettu vuonna Ensimmäiset sovellukset olivat: Basfin, Astronauticsin ja Heierin muodostaman yrityskoalition julkistama viinikaappi ja Cooltec Applicationsin julkistama myymälän kylmäkaappi. Kummatkin sovellukset ovat pienitehoisia, jäähdytysteholtaan alle 400 W, mutta kehitteillä on suurempitehoisia laitteita esimerkiksi ilmastoinnin jäähdytykseen. Magneettijäähdytyksen odotetaan ensimmäisenä yleistyvän kotitalouksien jääkaapeissa. Tekniikan etuina mainitaan energiatehokkuus, jonka odotetaan olevan jääkaappisovelluksissa % parempi kuin kompressoritekniikalla. Lisäksi etuina mainitaan ympäristöystävällisyys (ei kylmäaineita) ja meluttomuus. Tällä hetkellä teknologian yleistymisen esteenä on ennen kaikkea korkeampi hinta, joka johtuu mm. magnetokaloristen materiaalien kustannuksista. Toisaalta Basf ilmoittaa käyttävänsä tavallisia ja yleisesti saatavilla olevia materiaaleja, jolloin myös kustannusten oletetaan putoavan nopeasti massatuotannon myötä. Toistaiseksi laitteiden tarkempia teknisiä tietoja ei ole julkistettu. Tähän mennessä julkaistuissa tutkimuksissa magneettisten materiaalien pääraaka-aineena on käytetty kadoliniumia (Gd) ja sen seoksia eri aineiden kesken. Basf ilmoitti käyttäneensä rautaseosta viinikaapin jäähdytyskoneikossa. Taulukossa 6 on esitelty tekniikan ominaisuuksia. Taulukko 6. Teknologian hyvät ja huonot puolet. Hyvää Toimintavarma ja kohtuullisen yksinkertainen rakenne Äänetön Ympäristöystävällinen Energiatehokas Edullisuus Skaalautuva Sopii eri lämpötila-alueille Huonoa Kallis Järjestelmäliityntä hankala Kehitys on kesken Selitys Vähemmän liikkuvia osia kuin kompressoritekniikassa Ei meluavaa kompressoria Prosessissa ei tarvita kylmäainetta Kylmänsiirtoon tarvitaan edelleen jäähdytysliuos yli 20 % energiatehokkaampi kuin kompressoritekniikkaan perustuva Jää nähtäväksi Sopii sekä pieniin kotitalouden laitteisiin että teollisuusmittakaavan jäähdytyslaitteisiin Soveltuu sekä ilmastoinnin jäähdytykseen että teolliseen kylmäntuottoon Selitys Magnetokaloriset materiaalit kalliita Lämmönsiirto kylmällä ja kuumalla puolella ympäristöön hankala toteuttaa liikkuvan kiinteän magnetokalorisen materiaalin vuoksi Käytettävät materiaalit ja magneettikentän luomiseen tarvittavat laitteistot vielä kehitteillä Kaupallisesti saatavilla olevat tuotteet soveltuvat vain rajattuihin, pienitehoisiin, sovelluksiin Lämpösähköinen jäähdytys Lämpösähköiset ilmiöt ovat fysikaalisia ilmiöitä, joissa joko lämpötilaero synnyttää sähkövirran tai sähkövirta aiheuttaa lämpötilaeron. Peltier-ilmiöön perustuvassa jäähdytyselementissä sähkövirta aiheuttaa lämpötilaeron elementin puolten välille. Ilmiötä käytetään hyväksi yksinkertaisissa ja pienissä jäähdytyslaitteissa, kuten elektroniikan jäähdytyksessä ja matkajääkaapeissa. Peltier-ilmiön energiatehokkuus on kaupallisilla tuotteilla ollut toistaiseksi huono, josta syystä sitä ei käytetä rakennusten jäähdytyksessä. Toinen syy on, että kaupallisten moduulien jäähdytystehot ovat hyvin vaatimattomia, korkeintaan joitain satoja

18 17 (63) watteja. Materiaalikehityksen myötä energiatehokkuutta voidaan parantaa, jolloin tekniikan on mahdollista yleistyä laajempaan käyttöön tulevaisuudessa. Lämpösähköisen jäähdytyksen periaate on esitetty kuvassa 14. Kuva 14. Lämpösähköisen menetelmän periaate eli ns. Peltier-ilmiö Elektromekaaniset teknologiat Elektromekaanisista jäähdytysteknologioista termoelastinen jäähdytys on mielenkiintoisin ja yksi mahdollisista tulevaisuuden jäähdytystekniikoista. Tämän vuoksi se esitellään tässä raportissa Termoelastinen jäähdytys Termoelastinen jäähdytys perustuu muistimetallien (shape-memory alloys, SMA) martensiittiseen muutokseen liittyvään latenttilämpöön. Termoelastiseen jäähdytykseen perustuvassa laitteessa muistimetallista valmistettua rainaa, vuoroin venytetään ja vapautetaan, jolloin vuoroin sitoutuu ja vapautuu lämpöä (kuva 15). Termoelastisen jäähdytyksen potentiaali tulevaisuuden jäähdytysteknologiana on merkittävä, mutta tutkimus ja tuotekehitys ovat vasta alussa. Ensimmäiset tieteelliset raportit järjestelmäkehityksestä on julkaistu vasta vuonna 2012, joskin materiaalitason tutkimusta on tehty jo huomattavasti pidempään. Ensimmäisissä prototyypeissä on käytetty titaanin ja nikkelin seoksia (Ti-Ni). Kuva 15. Termoelastisen jäähdytyksen periaate (Cui et al. 2012).

19 18 (63) Kuvassa 16 on esitetty esimerkki Ni-Ti-langan lämpötiloista lankaa jännitettäessä ja jännityksen vapautuessa. Ni-Ti-langan lämpötila nousee jännitettäessä noin +47 C:seen ja jäähtyy +5 C:seen jännityksen vapautuessa. Kyseiset lämpötilat soveltuvat esimerkiksi rakennuksen jäähdytysratkaisuihin. Taulukossa 7 on esitetty tekniikan hyviä ja huonoja ominaisuuksia. Kuva 16. Ni-Ti langan (halkaisija 3 mm) lämpötila ja jännityskäyrät ajan funktiona (Cui et al. 2012). Taulukko 7. Teknologian hyvät ja huonot puolet. Hyvää Toimintavarma ja yksinkertainen rakenne Äänetön Ympäristöystävällinen Energiatehokas Edullisuus Skaalautuva Sopii eri lämpötilaalueille Huonoa Hinta kysymysmerkki Järjestelmäliityntä hankala Kehitys on kesken Selitys Vähemmän liikkuvia osia kuin kompressoritekniikassa Ei meluavaa kompressoria Prosessissa ei tarvita kylmäainetta Kylmänsiirtoon tarvitaan edelleen jäähdytysliuos Yli 30 % energiatehokkaampi kuin kompressoritekniikka Jää nähtäväksi Sopii sekä pieniin kotitalouden laitteisiin että teollisuusmittakaavan jäähdytyslaitteisiin Soveltuu sekä ilmastoinnin jäähdytykseen että teolliseen kylmäntuottoon Muistimetallit kalliita Selitys Lämmönsiirto kylmällä ja kuumalla puolella ympäristöön hankala toteuttaa liikkuvan rainan vuoksi Käytettävät materiaalit ja tarvittavat laitteistot vielä laboratorioasteella. Ei kaupallisia tuotteita

20 19 (63) Lämpökäyttöiset jäähdytysteknologiat Seuraavassa esiteltävät lämpökäyttöiset teknologiat perustuvat sorptioon. Sorptioprosesseissa kaasumainen kylmäaine liukenee joko nesteeseen (absorptio) tai sitoutuu kiinteän aineen pintaan (adsorptio). Kirjallisuudessa käytetään kylmäkertoimelle usein merkintää COP (coefficient of performance), mutta eurooppalaisissa lämpöpumppustandardeissa COP:tä käytetään lämpökertoimelle ja EER:ää kylmäkertoimelle. Tässä raportissa kylmäkertoimet (EER = energy efficiency ratio) on jaettu lämmönkäytön kylmäkertoimeen EER lämpö ja sähkönkäytön kylmäkertoimeen EER sähkö. Lämmönkäytön kylmäkerroin määritellään jäähdytystehon suhteena käytettyyn lämpötehoon. Sähkönkäytön kylmäkerroin puolestaan määritellään laitteiston jäähdytystehon ja sähkötehon suhteena. Sähkötehontarve muodostuu sorptiolaitteen sisäisten pumppujen ja välijäähdytyspiirin pumppujen ja puhaltimien sähkötehontarpeista. Valmistajat ilmoittavat kylmäkertoimen usein pelkästään tietyssä nimellisolosuhteessa ja se edustaa vain kyseisen tilanteen kylmäkerrointa. Laitteiston toimintaa käytännössä kuvaisi huomattavasti paremmin vuosikylmäkerroin SEER (seasonal energy efficiency ratio), joka ottaa huomioon vuotuisesti vaihtelevat olosuhteet. SEER-arvot määritellään tehojen sijaan energiankulutusten suhteina. Valitettavasti standardointi ei ole edennyt lämpökäyttöisten jäähdytyslaitteiden osalta vielä näin pitkälle. Vuosilämpökertoimelle on tässä raportissa käytetty merkintää SCOP (seasonal coefficient of performance) Absorptiojäähdytys Absorptiojäähdytys perustuu liuottimen ja kylmäaineen (absorbentti) muodostaman aineparin käyttäytymiseen liuoksena. Tietyssä paineessa ja lämpötilassa höyryn ja nesteeseen absorboituneen kaasun välillä vallitsee tasapaino. Paineen ja lämpötilan muuttuessa, höyryä vapautuu tai sitoutuu. Absorptioprosessi koostuu neljästä pääosasta; imeyttimestä, keittimestä, lauhduttimesta ja höyrystimestä (kuva 17). Imeyttimessä väkevöitynyt liuos sekoittuu höyrystimestä palaavan lauhtuvan liuoksen kanssa matalassa painetasossa, jonka jälkeen se nostetaan pumpulla korkeampaan painetasoon keittimelle. Täällä liuos höyrystetään ulkopuolisen pääasiallisena käyttöenergiana toimivan lämmön avulla, josta se jatkaa edelleen lauhduttimelle. Lauhduttimessa höyrystynyt neste lauhtuu ja se ohjataan paisuntaventtiilin kautta matalammassa painetasossa toimivalle höyrystimelle. Täällä neste höyrystyy uudelleen jäähdyttäen kylmäainepiirin virtausta. Imeyttimen ja lauhduttimen toiminta vaatii jäähdyttävän vesivirtauksen (ns. välijäähdytys), lämpötilatasoltaan keittimen ja höyrystimen välillä, tyypillisesti noin +30 C. Keittimen ja imeyttimen välillä on usein lämmönsiirrin, jossa väkevöitynyt liuos luovuttaa lämpöä keittimelle pumpattavaan liuokseen parantaen prosessin hyötysuhdetta (Energiateollisuus 2006).

21 20 (63) Kuva 17. Absorptioprosessi, jossa keittimen lämmitys voidaan toteuttaa kaukolämmöllä. Kuvaan merkityt lämpötilat ovat esimerkkejä ( Yleisimmät käytetyt aineparit ovat vesi/litiumbromidi (H 2O-LiBr) ja ammoniakki/vesi (NH 3- H 2O). Ensiksi mainitussa vesi toimii kylmäaineena ja toisessa taas liuottimena. Vain kylmäaine kiertää lauhduttimen ja höyrystimen kautta. LiBr pohjainen prosessi toimii alipaineessa, ammoniakkipohjainen prosessi taas korkeassa, kompressorijäähdytykseen verrattavissa olevassa paineessa. Ammoniakkiprosessissa tarvitaan lisäksi rektifikaatiokolonni keittimen ja lauhduttimen väliin, jotta ammoniakin mukana kulkeutuva vesi ei kerääntyisi höyrystimeen ja muuttaisi näin prosessiolosuhteita epäedullisempaan suuntaan. (Energiateollisuus 2006). Kaupallisissa tuotteissa käytetään pääsääntöisesti vesi/litiumbromidia kun jäähdytyslämpötila on korkeampi kuin 0 C ja ammoniakki/vesi aineparia, kun jäähdytyslämpötila on alle 0 C. Seuraavissa kappaleissa on käyty läpi eri absorptioprosessien ominaisuuksia. Pohjana tarkastelulle on absorption hyödyntäminen kaukojäähdytyksessä, mutta luvut ovat vertailukelpoisia myös rakennuskohtaisille järjestelmille. Käyttöenergiana toimivan vesivirtauksen lämpötila tulee H 2O-LiBr prosessissa olla yli 80 C. Tätä matalammissa lämpötiloissa kylmäkerroin (EER) laskee nopeasti. Yksivaiheisen prosessin (englanniksi single effect) EER on noin 0,7, kaksivaiheisena (englanniksi double effect) päästään jo yli yhden ja kolmivaiheisella (englanniksi triple effect) toteutuksella ollaan noin 1,5 tienoilla. Vaiheiden (paine- ja lämpötilatasojen) lisääminen luonnollisesti kasvattaa investointikustannuksia ja nostaa keittimen lämpötilavaatimusta, mutta parantaa prosessin hyötysuhdetta. (Koljonen et al. 1998) Yhtenä haasteena prosessille on estää litiumbromidin kiteytyminen alhaisia lämpötilatasoja käytettäessä. Tähän ratkaisuna on löydetty erilaisten muiden suolojen lisääminen liuokseen (Sun et al. 2012). NH 3-H 2O prosessi vaatii käytännössä yli 100 C:n lämpötilan. Kylmäkertoimeltaan se jää H 2O-LiBr alemmas, noin 0,60-0,65 tienoille. (Koljonen et al. 1998) Natriumhydroksidin lisääminen liuokseen parantaa ammoniakin ja veden erottumista parantaen hyötysuhdetta noin 20 % (Sun et al. 2012). Kuvassa 18 on esitelty erilaisia absorptioprosesseja, joista matalalämpötilaisissa ratkaisuissa käytetään single effect -prosessia. Kuvissa 18 ja 19 esitetään teoreettisia laskentatuloksia kylmäkertoimen riippuvuudesta prosessin lämpötilatasoista erilaisille absorptioprosesseille (Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014). Esitetyt kylmäkertoimen arvot tuntuvat hieman optimistisilta, mutta antavat hyvän kokonaiskuvan eri tekijöiden vaikutuksesta kylmäkertoimeen.

22 21 (63) Kuvasta 19 nähdään, että half effect -prosessilla päästään matalimpiin keitinlämpötiloihin, jopa alle 60 C, single effect kytkennällä käyttölämpötilat ovat suunnilleen 70 C - 95 C ja double effect kytkennät edellyttävät jo huomattavasti korkeampia lämpötiloja. Teoreettiset kylmäkertoimet ovat single effect kytkennällä huomattavasti double effect kytkentää huonommat. Half effect kytkennällä kylmäkertoimet jäävät kaikkein huonoimmiksi. Kuvasta 20 havaitaan, että kylmäkertoimet riippuvat keittimen käyttölämpötilasta ja jäähdytys- ja kylmäpiirin lämpötiloista: mitä korkeampi jäähdytyspiirin lämpötila on, sitä huonompi on kylmäkerroin ja toisaalta mitä matalampi kylmäpiirin lämpötila on, sitä huonompi on kylmäkerroin. Half effect -prosessi olisi käyttölämpötila-alueensa vuoksi sopiva kaukolämpösovelluksiin, mutta sen kylmäkerroin jää huonoksi. Lisäksi half effect -prosessi on huomattavasti monimutkaisempi kuin single effect -prosessi, mikä merkitsee korkeampaa hankintahintaa. Double effect -prosesseilla saavutetaan hyvä kylmäkerroin, mutta ne edellyttävät myös korkeaa käyttölämpötilaa. Lisäksi prosessit ovat monimutkaisempia ja siksi hintavampia kuin single effect laitteet. Näistä syistä single effect laitteita tutkitaan ja sovelletaan kaukolämpö- ja aurinkolämpökäyttöön ehdottomasti eniten. a) half effect b) single effect c) douple effect in series d) douple effect inverse Kuva 18. Erilaisia absorptioprosesseja: a) half effect, b) single effect ja c) double effect in series sekä d) double effect inverse. Merkinnät: A on imeytin, HE on lämmönsiirrin, CG on lauhdutin/keitin, G on keitin ja E on höyrystin. (Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014)

23 22 (63) Kuva 19. Eri absorptioprosessien laskennallisia kylmäkertoimia lämmönlähteen lämpötilan funktiona. Höyrystyslämpötila on +8 C, lauhdutuslämpötila on +39 C ja välikeittimen lämpötila on +105 C (Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014). a) Kylmäkertoimet höyrystyslämpötilan funktiona, single effect ja half effect. Keittimen lämpötila 75 C ja lauhdutuksen (välijäähdytys) 35 C. b) Kylmäkertoimet höyrystyslämpötilan funktiona, double effect in series ja double effect inverse. Keittimen lämpötila 155 C, välikeittimen 105 C ja lauhdutuksen (välijäähdytys) 35 C. c) Kylmäkertoimet lauhdutuslämpötilan (välijäähdytys) funktiona, single effect ja half effect. Keittimen lämpötila 80 C ja jäähdytyspiirin 8 C. d) Kylmäkertoimet lauhdutuslämpötilan (välijäähdytys) funktiona, double effect in series ja double effect inverse. Keittimen lämpötila 137 C, välikeittimen 90 C ja jäähdytyspiirin 8 C. Kuva 20. Eri absorptioprosessien laskennallisia kylmäkertoimia höyrystyslämpötilan funktiona a) half effect ja single effect b) double effect in series ja double effect inverse sekä lauhdutuslämpötilan (välijäähdytys) funktiona c) half effect ja single effect ja d) double effect in series ja double effect inverse (Domínguez-Inzunza, L. A., et al 2014).

24 23 (63) Seuraavassa on vertailtu tyypillistä single effect -absorptioprosessia ja kompressoriprosessia, kun jäähdytystehontarve on 10 kw. Kuvassa 21 on esitetty absorptioprosessin tarvitsemat keitinteho ja välijäähdytysteho, kun laitteiston kylmäkerroin on 0,71. Kylmäpiirin lämpötilat soveltuvat ilmastoinnin jäähdytykseen (+12 C / +7 C) ja kaukolämmön lämpötilat ovat kesäiset (+75 C / +65 C). Esimerkin10 kw:n kylmätehon tuottaminen absorptiolaitteistolla edellyttää 14 kw:n kaukolämpötehoa ja 24 kw välijäähdytystehoa. Vertailulaitteisto on kompressorikylmäkoneisto, jonka kylmäkerroin on 3. Tällöin 10 kw:n jäähdytystehoon tarvitaan noin 3 kw:n sähköteho, ja lauhdutustehontarve on 13 kw. Absorptioprosessiin verrattuna kompressorilaitteiston käyttötehontarve on vain noin viidesosa ja lämmöntuotto puolet pienempi. Absorptioprosessin jäähdytysteho ja kylmäkerroin ovat herkkiä välijäähdytyksen lämpötilalle, eikä sen lämpötilatasoa kannata nostaa hyötykäyttöä ajatellen. Myös kompressorilaitteiston jäähdytysteho ja kylmäkerroin heikkenevät lauhdutuslämpötilaa nostettaessa, mutta eivät läheskään niin voimakkaasti kuin absorptiolaitteistolla. Absorptioprosessin suurempi välijäähdytystehon tarve nostaa laitteiston hintaa ja aiheuttaa myös suuremmat pumppaussähkön ja mahdolliset puhallinsähkön tarpeet. Huonosti suunnitellun absorptiolaitteiston sähkön EER sähkö voi olla lähellä hyvän kompressorilaitteiston kylmäkerrointa, on raportoitu jopa alle 5:n arvoja. Hyvin suunnitellussa absorptiolaitteistossa sähkön EER sähkö pitäisi olla suuruusluokkaa Kuva 21. Tyypillisen absorptioprosessin ja kompressoriprosessin tehontarpeet ja toimintalämpötilat. Vertailutilanteessa kummankin laitteiston jäähdytystehontarve on 10 kw. Läpikäydyssä aineistossa ei tullut esille absorptiolaitteiston hyödyntämistä kesällä jäähdytykseen ja talvella lämmitykseen. Yhteiskäytössä laitteiston käyttöaste paranisi ja myös energiakustannuksia voitaisiin pienentää. Ajatuksena tällaisessa käytössä on, että kesällä lämpöpumpun lämmönlähde on rakennuksen jäähdytysverkko ja talvella uusiutuva energialähde kuten porakaivo. Kesällä porakaivoratkaisussa välijäähdytysenergia, jota ei hyödynnetä, voidaan ajaa maahan ja pitää välijäähdytyspiirin lämpötila sopivan alhaisella tasolla, mikä parantaa kylmäkerrointa. Talvella porakaivosta saadaan lähes ilmaista uusiutuvaa energiaa, joka pienentää lämmityskustannuksia. Rajoittavana tekijänä lämmityskäytössä on, että välijäähdytyslämpötila on kovin alhainen (30-35 C). Näin alhainen lämpötilataso sopii uudisrakennusten matalalämpötilajärjestelmään, mutta olemassa olevassa rakennuskannassa se on ongelma. Talvella ja kesällä välijäähdytystä voidaan hyödyntää käyttöveden esilämmittämiseen. Useimmissa absorptiolaitteissa käytetään kylmäaineena vettä, joka rajaa esimerkiksi ulkoilman pois mahdollisena lämmönlähteenä. Myös porakaivoratkaisussa maapiirin lämpötilatasot ovat talvella noin 0 C ja jopa hieman pakkasen puolella. Tällöin pitäisi käyttää esimerkiksi ammoniakki-vesi absorptiolaitteita, joilla höyrystin voidaan ongelmitta ajaa reilusti pakkasen puolelle, joskin lämpökertoimen kustannuksella Kaupallisten tuotteiden ominaisuuksia Absorptiolaitteiden toimittajia löytyy useita suurissa teholuokissa, esimerkiksi Thermax, Broad, Yazaki, Sanyo, Trane ja Carrier. Pienemmän teholuokan ( kw) kuumavesikäyttöisten laitteiden valmistajia on rajallisesti mm. EAW, Pink, Sortech ja York. Pienemmän teholuokan laitteista suurin osa on tarkoitettu ensisijaisesti integroitavaksi

25 24 (63) aurinkolämpöjärjestelmään. Samat laitteet soveltuvat yhtä hyvin kaukolämpökäyttöön, koska keittimen toimintalämpötilat ovat kummassakin järjestelmässä samaa tasoa (70-90 C). Absorptiolaitteille ilmoitetuissa nimellistoimintalämpötiloissa näyttää olevan paljon eroavaisuuksia. Alla on esimerkkinä erään valmistajan kahden eri nimellistehoisen (15 kw ja 250 kw) laitteen nimellistoimintalämpötilat. Pienemmän laitteen nimellistehoa vastaavat toimintalämpötilat ovat: lämmönlähde 90 C, kylmäpiirin menolämpötila 11 C ja jäähdytyspiirin tulolämpötila 30 C. Suuremmalle laitteelle vastaavat toimintalämpötilat ovat: lämmönlähde 86 C, kylmäpiirin menolämpötila 9 C ja jäähdytyspiirin tulolämpötila 27 C. Vertailtaessa eri laitteiden ominaisuuksia on siis oltava tarkkana millä toimintalämpötiloilla jäähdytysteho ja EER on annettu. Absorptiolaitteiden toiminta-arvoihin (jäähdytysteho ja EER) vaikuttavat voimakkaasti lämmönlähteen, kylmäpiirin ja jäähdytyspiirin lämpötilat. Toimintalämpötilojen muuttuessa jäähdytystehon suhteelliset muutokset ovat suuria ja esimerkiksi lämmönlähteen pienetkin lämpötilavaihtelut voivat aiheuttaa suuria tehomuutoksia, kuten kuvista 22 ja 23 havaitaan. Kuva 22. EAW GmbH:n valmistaman vesi/litiumbromidi absorptiolämpöpumpun WEGRACAL SE15 kylmäteho lämmönlähteen lämpötilan ja kylmäpiirin paluulämpötilan (koneelle tulevan veden lämpötila) funktiona. ( Kuva 23. EAW GmbH:n valmistaman vesi/litiumbromidi absorptiolämpöpumpun WEGRACAL SE250 kylmäteho lämmönlähteen lämpötilan ja kylmäpiirin paluulämpötilan (koneelle tulevan veden lämpötila) funktiona. (

26 25 (63) Kylmäkertoimet riippuvat laitteen toimintalämpötiloista samoin kuin jäähdytystehotkin, mutta valmistajat eivät juurikaan julkaise näitä arvoja. Ei sovi unohtaa myöskään absorptiolaitteiston sähkönkäyttöä, joka voi huonosti suunnitellussa järjestelmässä olla yllättävän suuri. Absorptiolaitteistossa sähköä kuluu ennen kaikkea välijäähdytysjärjestelmän pumppuihin ja puhaltimiin, ei niinkään prosessin sisäiseen pumppaukseen ja automaatioon Adsorptiojäähdytys Adsorptiojärjestelmät eroavat absorptiolaitteista siinä, että kylmäaineen imeyttimenä toimii nesteen sijasta kiinteä aine. Rakennusten adsorptiojäähdytysratkaisuissa käytetyimmät aineparit ovat vesi-silikageeli ja vesi-zeoliitti. Adsorptioprosessissa (kuva 24) kylmäaineena toimiva vesi höyrystetään alhaisessa paineessa jäähdytyspiirin energialla höyrystimessä (lämpötila esimerkiksi +6 C). Toisessa vaiheessa vesihöyry johdetaan adsorbaattoriin, jossa höyry adsorboituu esimerkiksi silikageeliin, jolloin vapautuu lämpöä. Seuraavaksi vapautunut lämpö jäähdytetään välijäähdytyspiiriin, jonka lämpötilataso on noin + 30 C. Tämän jälkeen adsorbaattoriin ajetaan lämpöä (yli +55 C:sta), jolla vesi höyrystetään irti silikageelistä ja samalla kasvaa kammion paine. Kuumentunut vesihöyry johdetaan lauhduttimeen, jossa höyry jäähdytetään välijäähdytyspiirin (+30 C) avulla ja vesihöyry lauhtuu vedeksi. Tämän jälkeen vesi johdetaan paineenalennusventtiilin kautta takaisin höyrystimeen ja prosessi alkaa alusta. Koska prosessi on vaiheittainen, laitteet varustetaan kahdella adsorptiokammiolla, jolloin prosessista saadaan jatkuva, kuten kuvassa 24 on havainnollistettu. Kuva 24. Adsorptioprosessi: A Lämmitys ja paineistus, B Desorptio ja kondensoituminen, C Jäähdytys ja paineen alennus, D Adsorptio ja höyrystys (Wang et al. 2011). Adsorptiolaitteen toiminta-arvo riippuvat voimakkaasti laitteen toimintalämpötiloista, josta on esitetty esimerkkinä erään pienitehoisen (10 kw) kaupallisen laitteen jäähdytystehon riippuvuus käyttölämpötilasta ja välijäähdytyslämpötilasta, kuva 25. Adsorptiolaitteiden kylmäkertoimet jäävät hieman pienemmiksi kuin absorptiolaitteilla, suuruusluokaltaan noin 0,6. Kuvassa 26 on esitetty kaupallisen laitteen kylmäkertoimen arvoja, jotka jäävät alhaisilla käyttölämpötiloilla (alle +65 C) alle 0,6. Toisaalta adsorptiolaitteiden käyttöenergian lämpötilataso voi olla matalampi kuin absorptiolaitteilla,