Lämpöpumpun toiminta. Toiminnan periaate

Transkriptio

1 Lämpöpumpun toiminta Lämpöpumppu eroaa monissa suhteissa perinteisestä öljylämmityksestä sekä suorasta sähkölämmityksestä. Kuten öljylämmitys, lämpöpumppulämmitys on keskuslämmitys, toisin sanoen lämpö siirretään joko veden tai ilman välityksellä huoneisiin. Lämpöpumppu toimii sähköllä, mutta tarvitsee sitä vain pienen osan suoran sähkölämmityksen vaatimasta määrästä. Lämpöpumpun toimintaa verrataan usein jääkaappiin. Jääkaapin jäähdytyskoneisto ottaa lämmön kaapin sisältä, lämpötilasta o C ja poistaa eli pumppaa sen ulkopuolelle, lämpötilassa oc. Lämpöpumpun koneisto onkin toiminnaltaan samanlainen, mutta teholtaan huomattavastisuurempi, noin 4 kilowatista ylöspäin. Jääkaapin koneiston teho on vain muutamia kymmeniä watteja, siis vain alle sadas osa lämpöpumpusta. Toiminnan periaate Lämpöpumppukoneiston toimintakaavio on kuvassa 1. Toiminta perustuu koneistossa kiertävän aineen, n.s. kylmäaineen höyrystymiseen ja lauhtumiseen. Höyrystyminen vaatii lämpöä, mikä otetaan höyrystimessä matalassa lämpötilassa esimerkiksi maahan sijoitetussa putkistossa kiertävästä liuoksesta. Näin syntyvä höyry puristetaan kompressorilla korkeampaan paineeseen, jolloin se myös lämpiää. Korkeapaineinen lämmin höyry jäähdytetään lauhduttimessa, jossa se nesteytyy. Vapautuva lämpö lämmittää lauhduttimen läpi virtaavan veden tai ilman. Neste palautetaan höyrystimeen laskemalla sen paine paisuntaventtiilissä. Puristus vaatii kompressorissa työtä, mikä saadaan sähkömoottorista. Lisäksi esimerkiksi maalämpöpumppu kuluttaa sähköä liuosta kierrättävässä pumpussa sekä hiukan säätölaitteissa Kuva 1. Maalämpöpumpun periaate.

2 Lämpökerroin Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan lämpökertoimella, joka on saadun lämmitystehon suhde tarvittavaan sähkötehoon. Niinpä lämpökertoimella 3 saadaan jokaista 1 kw:n sähkötehoa kohti lämpötehoa 3 kw. Vastaavasti energiamäärinä mitattuna saadaan jokaista kulutettua sähköenergiaa 1 kwh kohti lämpöä 3 kwh. Erotus otetaan esimerkiksi juuri maasta. Lämpökerroin riippuu lämpöpumpun ominaisuuksien takia melko voimakkaasti lämpötiloista lämmönoton (lämmönlähteen) puolella ja lämmön käytön (lämmitysjärjestelmä) puolella. Edullista on mahdollisimman korkea lämmönoton lämpötila ja mahdollisimman matala lämmön käytön lämpötila. Lämpöpumpun kannalta parhaat lämmönjakotavat ovat siten lattialämmitys ja ilmalämmitys. Lattialämmityksessä tullaan toimeen putkistoon menevän veden lämpötilalla vähän yli 30 C. Ilmalämmityksen vaatima ilman lämpötila riippuu ilmavirrasta, joka taas riippuu rakennuksen lämmöntarpeesta lattia m² kohti. Kuvassa 2 on esimerkkejä lämpökertoimen arvoista muutamilla lämpötiloilla. Joskus valmistajat ilmoittavat korkeitakin - jopa yli 4 - lämpökertoimia. Nämä kuitenkin ovat edullisimpiin olosuhteisiin

3 perustuvia ääriarvoja, jotka käytännössä toteutuvat harvoin. Lisäksi pitää muistaa, että olosuhteet vaihtelevat vuoden aikana, samoin lämpöpumpun toiminta-arvot. Tärkein aika on suurimman lämmön tarpeen aika eli talvikausi. Toiminta-arvot tulisikin ilmoittaa keskimääräisissä olosuhteissa. Tarkasti vertailukelpoisia arvoja saadaan vain normien mukaan tehdyillä laboratoriomittauksilla. Tarkoitukseen on laadittu eurooppalainen normi (EN 255). Tavallinen taso vuotuiselle keskimääräiselle lämpökertoimelle eli vuosilämpökertoimelle vaihtelee normaaleissa käyttöolosuhteissa arvon 3 molemmin puolin¹. Kuva 2. Lämpötilatasojen vaikutus lämpökertoimeen (periaatekuva). T2 on lämmönkäytön lämpötila, esimerkiksi lämmitysverkoston vesi. 1. Aittomäki A., Haapalainen H., Kianta J., Simppala M., Pientalolämpöpumppujen toiminta käyttökohteisa. Tampere Tampereen Teknillinen korkeakoulu, Energia- ja Prosessitekniikan laitos. Raportti 149. Raportti löytyy myös pdf-muodossa internetistä osoitteessa ener/research/index.htm

4 Lämpöpumpputyypit Yleistä Lämpöpumpun rakenne ja ominaisuudet riippuvat lämmönjaon tavasta sekä lämmönlähteestä. Tavalliset jakotavat ovat vesikeskuslämmitys ja ilmalämmitys. Lämmönlähteistä tavallisimmat ovat maaperä, vesistö, ulkoilma ja rakennuksen ilmanvaihdon poistoilma. Maalämpöpumppu Lämpöä maasta ottava lämpöpumppu on ollut Suomessa tavallisin tyyppi. Lämpö maasta siirretään lämpöpumppuun liuoksen välityksellä. Aiemmin yleisin lämmönoton tapa oli vaakasuoraan noin 1 m:n syyvyyteen sijoitetuttu putkisto (kuva 1). Koska maaperän laadulle ja käytettävissä olevalle pinta-alalle asetettavat vaatimukset rajoittavat käyttömahdolli- suuksia, on viime vuosina ns. lämpökaivo nopeasti yleistynyt ratkaisu. Maaperän käyttöä tarkastellaan lähemmin luvussa 8, Lämmönotto maasta. Aivan vastaavalla tavalla otetaan lämpöä järvestä. Lämmönottoputkisto sijoitetaan järven pohjalle ja lämpöä siirtyy pohjasedimentistä sekä vedestä liuokseen. Maasta tulevan liuoksen lämpötila laskee keskitalvellakin vain hieman alle 0 C:n. Lämpöpumppu toimii siis melko edullisissa olosuhteissa. Tehokkaan toiminnan edellytyksiä parantaa myös lattialämmitys, jossa verkostoon menevän veden lämpötila on alhainen. Maalämpöpumppujärjestelmällä voidaan myös jäähdyttää sisätiloja kierrättämällä maasta tulevaa viileää liuosta tuloilmavirrassa sijaitsevan jäähdytyspatterin läpi. Kuva 3. Maalämpöpumppu (lämpökaivo) Kuva 4. Ulkoilmalämpöpumppu

5 Ulkoilmalämpöpumppu Myös kylmästä ulkoilmasta saadaan lämpöä jäähdyttämällä sitä muutamalla asteella. Kuitenkin lämpötilan laskiessa alle o C:n pienenee lämpöpumpun tehokkuus (lämpökerroin) niin paljon, ettei ulkoilmasta enää ole järkevää ottaa lämpöä. Tarvitaan siis lisälämmitys, jonka teho riittää yksin kattamaan talon koko lämmitystarpeen huippupakkasilla. Ulkoilmalämpöpumppu koostuu tavallisimmin kahdesta yksiköstä, kuva 4. Ulkoyksikkö sisältää ilmasta lämpöä ottavan patterin (höyrystimen), kompressorin sekä automatiikkaa. Sisäyksikössä on puhallinpatteri, joka kierrättää lämmitetävää ilmaa. Usein puhaltimessa on useita tehoportaita, tarkoituksena lähinnä vähentää puhallinääntä pienen lämmöntarpeen aikana. Ulkoilman jäähdytys saa ilman sisältämää kosteutta huurtumaan lämpöä ottavan patterin pinnoille. Huurtuminen on voimakkainta ulkolämpötilan ollessa 0 C:n seutuvilla. Koska huurre haittaa lämmön siirtymistä ja ilman virtausta, on se ajoittain poistettava sulattamalla. Sulatus toimii automaattisesti, joskin muutamissa lämpöpumppumalleissa on ollut tämän suhteen ongelmia. On tärkeää valita pohjoismaisiin olosuhteisiin suunniteltu lämpöpumppu. Sekä ulkoyksikön että sisäyksikön sijoituksessa on myös muistettava ottaa huomioon ääni, jonka puhallin ja kompressori synnyttävät. Ulkoyksikön sijoitusta esimerkiksi makuuhuoneen ikkunan lähelle pitää välttää. Ulkoilmalämpöpumppu voi luovuttaa lämmön joko ilmaan tai lämmitysverkossa kiertävään veteen. Ilmajärjestelmän sisäyksikkö pitää sijoittaa tilaan, jossa laitteen aiheuttama vähäinen ääni ei haittaa. Ilman on myös päästävä esteettä leviämään lämmitettäviin tiloihin. Yhteyden tilojen välillä pitää siis olla avoin. Ilmalämpöpumpun säädön pitää toimia yhteispelissä muun lämmitysjärjestelmän kanssa niin, että lämpöpumppu tuottaa mahdollisimman suuren osan lämmöstä. Siten esimerkiksi sähkölämmityspattereiden termostaatit pitää säätää kytkemään lämmitys hieman alemmassa lämpötilassa kuin lämpöpumppu. Jottei sisälämpötila vaihtelisi liikaa, on lämmittimien termostaattien oltava korkealuokkaisia. Ilmalämpöpumpun asennus on yksinkertaista, koska tarvitaan vain ulko- ja sisäyksikön asentaminen ja niiden välisen putkituksen sekä kaapeloinnin kytkeminen. Tietenkin tarvitaan myös kytkentä sähköverkkoon. Maailmalla on käytössä miljoonia ilmalämpöpumppuja. Tärkeänä perusteena on jäähdytysmahdollisuus, joka yleensä kaikissa ilmalämpöpumpuissa on. Lämpöpumpun koneisto voidaan kääntää toimimaan toiseen suuntaan, jolloin sisäyksikkö jäähdyttää sisäilmaa ja ulkoyksikkö poistaa lämmön ulos.

6 Poistoilmalämpöpumppu Poistoilmalämpöpumppu ottaa lämpönsä rakennuksesta koneellisesti poistettavasta ilmanvaihtoilmasta. Jos rakennuksessa ei ole koneellista tuloilmajärjestelmää, korvausilma tulee sisään esimerkiksi ikkunarakojen tai erityisten raitisilmaventtiilien kautta. Raitisilman tulo on suunniteltava ja tehtävä oikein vetohaittojen välttämiseksi. Lämpöpumppu on ainoa tapa ottaa poistoilman lämpöä talteen rakennuksessa, jossa ei ole koneellista tuloilman sisäänpuhallusta. Lämpöpumppu vaatii jatkuvan poistoilmavirran, joka on noin 0,5 kertaa rakennuksen ilmatilavuus tunnissa, esimerkiksi 400 m³ :n rakennuksessa 200 m³ tunnissa. Tämän vuoksi ilmanvaihtomäärä voi lisääntyä, koska ilmanvaihtoa ei voida vähentää tai pysäyttää poissaolon ajaksi. Hyötynä voi kuitenkin olla parempi sisäilma, koska usein vanhoissa rakennuksissa ilmanvaihto ei toimi kunnolla. Poistoilmasta saadaan vain osa, kw tarvittavasta lämmitystehosta. Loppu on suuremman lämmitystarpeen aikana tuotettava lisälämmityksellä, mikä tapahtuu normaalisti lämpöpumppuun valmiiksi asennetuilla sähkövastuksilla. Poistoilmalämpöpumppu voi toimia useammalla tavalla: 1. Lämpöpumppu lämmittää vain käyttöveden. Teho on pieni ja poistoilmaa jäähdytetään vain vähän. 2. Lämpöpumppu lämmittää lämmitysjärjestelmän vettä sekä mahdollisesti myös käyttövettä. Myös koneellisen ilmanvaihdon tuloilman lämmitys on mahdollinen. 3. Lämpöpumppu lämmittää ilmalämmityksen ilmaa ja mahdollisesti myös käyttövettä. Tällainen lämpöpumppu on usein valmis ilmalämmityskeskus, joka sisältää kaiken tarvittavan, käyttövesivaraaja mukaan lukien. Hyvin suunniteltu ja rakennettu ilmalämmitys on viihtyisyydeltään korkeatasoinen, koska kiertoilma voidaan myös puhdistaa. Lämpöpumppu toimii tasaisissa olosuhteissa, jotka antavat itse lämpöpumpulle korkean lämpökertoimen. Koska kuitenkin vain osa lämmöstä tulee lämpöpumpusta, on vuotuinen säästö verrattuna suoraan sähkölämmitykseen %. Kuva 5. Poistoilmalämpöpumppu ilmalämmitysjärjestelmänä.

7