i Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta Eeva Lehesvuori Lämpöpumppu omakotitalon lämmitysjärjestelmänä Kandidaatintyö 7.5.2009 Tarkastaja: TkT, Aki Korpela
ii Sisällysluettelo 1. JOHDANTO...1 2. LÄMPÖPUMPUN TOIMINTA...2 2.1 Toimintaperiaate...2 2.1 Lämpökerroin...3 2.3 Lämmönjako...5 3. KÄYTTÖVEDEN LÄMMITYS...8 4.LÄMPÖPUMPUN MITOITUS...10 5. CASE LEHESVUORI...12 5.1 Maalämpöpumppu...12 5.1.1 Vaakaputkisto...13 5.1.2 Vesistöt lämmönlähteenä...13 5.1.3 Pystyputki eli lämpökaivo...14 5.2 Lämpökaivon suunnittelu ja mitoitus...14 5.2.1 PoraTek Ry:n normikaivo...15 5.3 Ilmalämpöpumppu...16 5.4 Poistoilmalämpöpumppu...17 5.5 Lämpöpumppujen kustannukset ja säästöt...18 5.5.1 Suuntaa antavia laskelmia...19 5.5.2 Kotitalousvähennys...20 6. YHTEENVETO...21 Lähteet...23
iii Tiivistelmä TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta Elektroniikka/ Sähkömagnetiikka LEHESVUORI, EEVA: LÄMPÖPUMPPU OMAKOTITALON LÄMMITYSJÄRJESTELMÄNÄ Kandidaatintyö, 24 s. Tarkastaja: TkT, Aki Korpela Toukokuu 2009 Tämän työn aiheena ovat lämpöpumput. Lämpöpumpuilla saadaan hyödynnettyä ympäristön ilmaista energiaa rakennusten lämmityksessä. Erityisesti tässä työssä keskitytään lämpöpumppuun omakotitalon lämmityksessä. Työn idea lähti liikkeelle vanhempieni tarpeesta saada enemmän tietoa lämpöpumpuista, kuin mitä lämpöpumppuesitteet antavat. Aluksi tutustuin aiheesta löytyvään materiaaliin, jonka jälkeen kokosin mielestäni tärkeimmät asiat, jotka saattavat kiinnostaa lämpöpumpun hankintaa suunnittelevia. Lopullinen työ menee vanhemmilleni, joiden toivon hyötyvän työstäni lämpöpumppua hankkiessaan.
1 1. JOHDANTO Lämpöpumppu on tällä hetkellä erittäin suosittu vaihtoehto omakotitalon lämmitysjärjestelmäksi. Suomen Lämpöpumppuyhdistys ry:n, SULPU:n, mukaan lämpöpumppujen myynnin kasvu Suomessa oli vuonna 2008 yli 30%. Yksi merkittävä syy lämpöpumppujen suosioon on sähkön ja öljyn hintojen nousu. Lämpöpumpuilla voidaan myös edesauttaa Euroopan Unionin asettaman, uusiutuvien energiamuotojen käytön lisäämistä koskevan, direktiivin toteutumista Suomessa. [16] Suomessa on jo yli 150000 lämpöpumppua, mutta esimerkiksi öljyllä lämmitettäviä pientaloja on edelleen noin 300000. [16] Öljylämmityksen korvaaminen lämpöpumpulla onkin herättänyt kiinnostusta ja monet miettivät sen kannattavuutta. Tämän työn tavoitteena on antaa tietoa lämpöpumpun toiminnasta ja vaatimuksista. Aluksi selitetään lämpöpumpun toimintaperiaate ja lämpökerroin. Tämän jälkeen kerrotaan, mikä merkitys lämmönjakotavalla, käyttöveden lämmityksellä ja lämpöpumpun mitoituksella on lämpöpumpun toimintaan omakotitalon lämmitysjärjestelmänä. Case Lehesvuori perustuu todelliseen tilanteeseen, jossa harkitaan öljylämmityksen korvaamista lämpöpumpulla. Eri lämpöpumpputyypit käydään läpi käyttäen pohjana case-tapausta ja lopuksi esitetään suuntaa antavia laskelmia mahdollisista kustannuksista ja säästöistä, joita lämpöpumpulla olisi odotettavissa.
2 2. LÄMPÖPUMPUN TOIMINTA Kalliossa, maaperässä, ilmassa ja vesistöissä on varastoituneena runsaasti auringon energiaa. Lämpöpumppu on laite, jolla tätä ilmaista energiaa voidaan hyödyntää lämmityksessä. Lämpöpumpun koneisto on toiminnaltaan samanlainen kuin jääkaapin jäähdytyskoneisto, tosin prosessi on päinvastainen ja lämpöpumpun koneisto on huomattavasti jääkaapin koneistoa tehokkaampi. 2.1 Toimintaperiaate Lämpöpumpun toiminta perustuu kylmäaineen, joka vuoroin höyrystyy ja lauhtuu, kiertoon lämpöpumpun koneistossa. Lämmönlähteeseen sijoitetussa lämmönkeruuputkistossa kiertävä liuos kerää itseensä ympäristön lämpöenergiaa. Höyrystimessä haalea liuos lämmittää lämpöpumpun kylmäainetta muutaman asteen saaden sen höyrystymään. Syntyvä höyry imetään kompressoriin, joka puristaa sen korkeampaan paineeseen. Puristus saa höyryn myös lämpenemään. Korkeapaineinen kuuma höyry johdetaan lauhduttimeen, jossa se jäähdytetään. Vapautuva lämpö lämmittää lauhduttimen läpi kulkevan lämmitysjärjestelmän kiertoveden tai ilman. Jäähtynyt, jälleen nestemäinen, kylmäaine siirtyy paisuntaventtiiliin, jossa sen paine lasketaan alhaiseksi ja lämpötila laskee jälleen. Tämän jälkeen kylmäaine palaa höyrystimeen. [1] Lämpöpumppukoneiston toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1. Lämpöpumpuissa käytettiin ennen kylmäaineena otsonikerrokselle haitallisia aineita. Näiden käyttö on kuitenkin ollut kiellettyä vuoden 2000 alusta asti. [1] Nykyään kylmäaineena käytetään myrkyttömiä fluorihiilivetyjä, eli HCF-yhdisteitä, jotka eivät ole haitallisia otsonikerrokselle, mutta ovat kuitenkin kasvihuonekaasuja, joiden pääsyä ympäristöön on vältettävä. [10] Yleisin kylmäaine lämpöpumpuissa on nykyään R407C. [8] Lämpöpumppu tarvitsee jonkin verran sähköä toimiakseen. Jotta höyry voidaan puristaa pieneen tilaan kompressorissa, tarvitaan sähkömoottori tekemään työtä. Myös
3 muut apulaitteet saattavat kuluttaa sähköä. Tarvittava sähkömäärä on kuitenkin pieni verrattuna suoraan sähkölämmitykseen. Sähkökatkon aikana lämpöpumppulämmitys lakkaa lämmittämästä, kuten kaikki lämmitystavat, jotka tarvitsevat sähköä toimiakseen. Katkon jälkeen lämpöpumppu alkaa kuitenkin jälleen toimia automatiikan ohjaamana. [1] Kuva 1: Lämpöpumppukoneiston toimintaperiaate [18] 2.1 Lämpökerroin Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan lämpökertoimella. Lämpökerroin eli COP (Coefficient Of Performance) kertoo, kuinka paljon lämpöä lämpöpumppu tuottaa suhteessa sähkömäärään, joka sen tuottamiseen tarvitaan. [18] Esimerkiksi jos lämpöpumpun tarvitsema sähkömäärä on 1 kw ja saatava lämpöteho on 3 kw, on lämpöpumpun lämpökerroin 3. Erotuksen, tässä tapauksessa 2 kw, lämpöpumppu ottaa käytössä olevasta lämmönlähteestä. Taulukosta 1 nähdään lämpöpumpun
4 lämpökertoimen vaikutus siihen, kuinka suuri osa energiasta saadaan lämmönlähteestä ja kuinka suuri osuus tarvitaan sähkönenergiaa. [11] Lämpökerroin Sähköenergia Ilmaisenergia 2,0 50% 50% 2,2 45% 55% 2,5 40% 60% 2,8 36% 64% 3,0 33% 67% 3,2 31% 69% 3,5 29% 71% 3,8 26% 74% 4,0 25% 75% Taulukko 1: Lämpöpumpun lämpökertoimien vaikutus energiaosuuksiin. [11] Höyrystymis- ja lauhtumislämpötilalla on merkittävä vaikutus lämpökertoimeen. Lämpöpumpun ideaalinen, Carnot-prosessin mukainen, lämpökerroin saadaan laskettua lauhduttimessa luovutetun lämpövirran ja kompressorin sähkötehon suhteena: L COP c = L P =, (1) L H jossa L on lauhduttimen lämpövirta, H on höyrystimen lämpövirta ja P kompressorin vaatima sähköteho. [14] Lämpöpumpun tulee toimia ympäri vuoden, mutta olosuhteet vaihtelevat vuodenajan mukaan, samoin lämpöpumpun höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat. Lisäksi lämpökertoimen määrittelyssä tulee ottaa huomioon myös apulaitteiden kuluttama sähköteho ja lämpövirrat. Lämpöpumpun taloudellisuutta arvioitaessa tulisikin ideaalisen lämpökertoimen sijasta käyttää vuoden keskimääräistä lämpökerrointa, eli vuosilämpökerrointa: Q S COP=, (2) W k P a jossa Q S on hyödyksi saatu lämpömäärä, W k on kompressorin vuoden aikana
5 käyttämä energiamäärä, on apulaitteiden käyttöaika ja P a apulaitteiden teho. [14] Tavallinen taso lämpöpumpun vuosilämpökertoimelle vaihtelee arvon 3 molemmin puolin. [1] Lauhduttimen ja höyrystimen lämpövirrat ovat suoraan verrannollisia absoluuttisiin lauhtumis- ja höyrystymislämpötiloihin, joten yhtälön 1 lämpökertoimen kaava voidaan kirjoittaa myös muotoon: T L COP c =, (3) T L T H jossa T H on höyrystymislämpötila ja T L on lauhtumislämpötila. [14] Lämpökerroin on sitä parempi, mitä korkeampi on höyrystymislämpötila, ja mitä matalampi on lauhtumislämpötila. Toisin sanoen pyritään mahdollisimman pieneen lämpötilaeroon. Höyrystymislämpötila määräytyy pääasiassa lämmönlähteen lämpötilan mukaan ja lauhtumislämpötilan määrää lämmönjakojärjestelmässä tarvittava lämpötilataso. [14] 2.3 Lämmönjako Rakennuksen lämmönjakojärjestelmä vaikuttaa lauhtumislämpötilaan, ja sitä kautta myös lämpökertoimeen. Lämpöpumpun kannalta parhaat lämmitysmuodot ovat lattialämmitys ja ilmalämmitys, sillä niiden tarvitsema lämpötilataso on alhaisempi kuin patterilämmityksellä, joten lauhtumislämpötila pysyy myös matalampana. Vesipattereiden vaatima korkeampi lämpötilataso vaatii korkeampaa lauhtumispainetta, joka alhaisemman lämpökertoimen lisäksi myös rasittaa enemmän kompressoria. [8] Lauhtumislämpötilan ylärajaa rajoittavat pääasiassa käytettävän kylmäaineen ja kompressorin ominaisuudet. Tavallisesti yläraja on 50-55 C, joka on myös suunnilleen saatavan menoveden lämpötilataso. [8] Lattialämmityksessä lämmitetään lattiarakennetta, josta lämpö siirtyy johtumalla lattian pintaan ja siitä edelleen konvektion avulla huoneilmaan. Lattialämmityksellä on siis käytössä suuri lämmönsiirtopinta, jolloin tullaan toimeen matalalla kiertoveden lämpötilalla. Kun lattialämmitys on suunniteltu ja tehty oikein, lattiapinnan lämpötila on
6 noin 23-24 C. [11] Pintalämpötilan ei tulisi oleskelutiloissa nousta yli 27 C:n, sillä jotkin lattiamateriaalit saattavat kärsiä, eikä liian lämmin lattia tunnu mukavalta jalkoihin. Kosteissa tiloissa voi pintalämpötila olla hieman suurempikin. [8] Vesikiertoisessa patterilämmityksessä kuuma vesi kiertää pattereiden sisällä. Aiemmin patterit mitoitettiin yleisesti lämpötilaohjelmalle 80/60 C, eli pattereille menevän veden lämpötila on 80 C ja niiltä palaavan veden lämpötila on 60 C. Lämpöpumpuilla ei kuitenkaan yleensä voida saavuttaa näin korkeita lämpötiloja, jolloin menoveden lämpötila täytyy nostaa sähkövastuksien avulla. Jos paluuveden lämpötila taas on jo valmiiksi 60 C, ei sen lämpötilaa voida juurikaan nostaa lämpöpumpulla. Paluuveden lämpötila tulisikin saada laskettua mahdollisimman alhaiseksi. Jotta suurin osa lämmöstä saataisiin tuotettua lämpöpumpulla, tulisi lämpöohjelman olla ennemmin 55/45 C. [11] Lämpö siirtyy pattereiden pinnoilta huoneilmaan konvektion kautta: q k =ha T, (4) jossa q k on konvektiolla siirtyvä lämpövirta, h on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin lämmönsiirtopatterin ja huoneilman välillä, A on pinta-ala, jolta konvektio tapahtuu ja T on lämmityspatterin ja huoneilman välinen lämpötilaero. [12] Jotta lämpöohjelmalla 55/45 C saataisiin sama lämpöteho kuin 60/80 Cohjelmalla, tarvitaan lähes kaksinkertainen lämmönsiirtopinta-ala ja liuosvirtaus. [11] Vanhoissa omakotitaloissa patterit on usein varmuuden vuoksi mitoitettu todellista tarvetta suuremmaksi, mutta pattereiden tehon tarkastus tulee aina tehdä, kun asennetaan lämpöpumppulämmitystä vanhan lämmitysjärjestelmän tilalle. Suuremman liuosvirtauksen takia kiertoveden painehäviö on suurempi, joten myös putkistojen mitoitus on aina tarkistettava. [8] Ilmalämmitys toimii samaan aikaan sekä rakennuksen ilmanvaihto-, että lämmitysjärjestelmänä. Ilmalämmityksessä huoneilmaa kierrätetään lämmityspatterin kautta. Rakennuksen ilmanvaihdon takia osa ilmasta poistetaan ulos ja vastaava määrä uutta ilmaa tuodaan tilalle. [8] Lämpö johdetaan huoneisiin tuloilman mukana, jonka lämpötila voi olla jopa 45-50 C. Jos tuloilman lämpötilaa lasketaan, voidaan käyttää matalamman lämpötilan omaavia lämmönlähteitä, mutta samalla tuloilmavirta kasvaa, jolloin myös kanavien tilantarve ja puhaltimien tehonkulutus kasvaa. Laitteiden
7 melutaso ja äänieristys tulee huomioida suunnittelussa. [11] Eri lämmitysmuotojen vaatimat lämpötilatasot löytyvät taulukosta 1. Ilmalämmitys Lattialämmitys Patterilämmitys Kaukolämmitys 20...40 C 20...30 C 40...80 C 70...130 C Taulukko 2: Eri lämmitysmuotojen lämpötilatasot [14]
8 3. KÄYTTÖVEDEN LÄMMITYS Noin viidennes koko omakotitalon lämpöenergiantarpeesta kuluu käyttöveden lämmittämiseen. Lämpimän veden kulutus ei riipu niinkään talon koosta, vaan se riippuu pääasiassa asukkaiden määrästä ja heidän vedenkäyttötottumuksistaan. Lämpimän veden kulutukselle on tyypillistä, että se vaihtelee runsaasti riippuen kellonajasta ja päivästä. Yleensä kulutus on suurinta aamuisin, iltaisin ja saunapäivinä. [8] On tärkeää, että lämpimän käyttöveden lämpötila ja erityisesti määrä ovat sopivat. Taloon tullessaan käyttövesi on yleensä lämpötilaltaan noin 5-10 C, riippuen jonkin verran vuodenajasta ja veden lähteestä. [8] Legionella-bakteerin aiheuttamien riskien takia veden lämpötilatason on ainakin välillä noustava vähintään 55 C:een. Legionellabakteereja esiintyy luonnossa ja ne voivat aiheuttaa sairastumisia päästessään hengitysteihin. 55 C vettä ei kuitenkaan voida suoraan johtaa käyttöpisteisiin, sillä siihen tarkoitukseen se on liian kuumaa. Lähtevän veden lämpötila täytyykin säätää sekoittamalla kuumaan veteen kylmää vettä sekoitusventtiilillä. [1] Kuten lämpökertoimen kaavasta (3) nähdään, ei ole kannattavaa nostaa lämpöpumpun lauhtumislämpötilaa niin korkealle, että saataisiin suoraan tarpeeksi kuumaa vettä. Lämpöpumpun teho ei myöskään riitä suureen hetkelliseen käyttöveden lämmitystehoon, vaan lämpöä on varastoitava. [1] Yksi tapa käyttöveden lämmitykseen on tulistusjärjestelmä, jossa käytetään hyväksi kompressorista tulevaa kuumaa höyryä. Tällä tavalla voidaan käyttövesi lämmittää jopa 85 C:een nostamatta lauhtumislämpötilaa. [1] Lämpöä voidaan varastoida joko varastoimalla käyttövettä tai varastoimalla lämmitysvettä. Lämmitysveden varastoinnissa hyödynnetään kuuman ja kylmän veden kerrostumista. Viileämpi vesi kertyy lämmitysveden varaajan alaosaan ja lämmin vesi yläosaan, jota kuumennetaan tulistuslämmöllä. Käyttövesi esilämmitetään putkikierukan avulla varaajan alaosassa ja loppulämmitys tapahtuu yläosan kuumalla vedellä. Käyttöveden varastoinnissa tarvitaan
9 erillinen paineen kestävä, ruostumattomasta teräksestä valmistettu, säiliö. Kylmä vesi esilämmitetään lämmitysvaraajassa olevan kierukan avulla, jonka jälkeen vettä kierrätetään lämpöpumpussa, jossa kuuma höyry lämmittää käyttöveden. [1], [8] Lämpöpumpuissa, joissa ei käytetä tulistusjärjestelmää, veden lämpötilaa nostetaan joko lämpöpumpulla tai sähkövastuksilla. Tulistusjärjestelmään verrattuna sähköenergian kulutus kasvaa 10-15%. Jotta lisälämmitystä tarvittaisiin mahdollisimman vähän, joissakin lämpöpumppumerkeissä käyttöveden lämpötila on noin 50 C ja se nostetaan vain ajoittain yli 55 C:n. [1] Lämpöpumpun lämpökertoimen kannalta on sitä parempi, mitä alhaisempaan lämpötilaan saakka kylmäaineen energiaa saadaan hyödynnettyä. Rakennuksen lämmityksessä ei kuitenkaan kovin viileälle vedelle ole käyttöä, joten kylmäaineen alijäähdytyksestä saatava energia jää usein hyödyntämättä. Tätä energia voitaisiinkin hyödyntää käyttöveden esilämmityksessä. [8]
10 4.LÄMPÖPUMPUN MITOITUS Lämpöpumppu voidaan mitoittaa täysteholle tai osateholle. Lämmityksen maksimitehon tarpeen laskennassa käytetään mitoittavana ulkolämpötilana Suomen Rakentamismääräyskokoelman osan D2 mukaista lämpötilaa, joka esimerkiksi Etelä- Suomessa on -26 C. [17] Näin kovia pakkasia ei kuitenkaan esiinny edes joka vuosi, joten huipputehoa tarvitaan vain harvoin. Suurin osa vuotuisesta energiantarpeesta voidaankin tuottaa osateholle mitoitetulla lämpöpumpulla. Kuvasta 2 nähdään, että vaikka lämpöpumppu on teholtaan vain 50% suurimmasta lämmöntarpeesta, saadaan sillä tuotettua noin 90% tarvittavasta lämmöstä. [1] Kuva 2: Lämpöpumpun teho-osuuden vaikutus lisälämmityksen energiatarpeeseen [1] Osateholle mitoitettu lämpöpumppujärjestelmä on teholtaan pienempi, mutta samalla myös halvempi kuin täysteholle mitoitettu. Osateholle mitoitettu järjestelmä tarvitsee rinnalleen lisälämmitysjärjestelmän, jonka avulla voidaan hoitaa lämmitys huippulämmöntarpeen aikana. Lisälämmityksen käyttöaika on suhteellisen lyhyt, eikä sen energiakustannuksilla ole kovin suurta merkitystä kokonaishinnan kannalta, joten lisälämmitys kannattaa tuottaa investointikustannuksiltaan mahdollisimman edullisella järjestelmällä. [8]
11 Yleinen ja edullinen ratkaisu lisälämmön tuottamiseen on sähkövastus, joka yleensä löytyy jo valmiiksi lämpöpumpusta. Lämpöpumpuissa, joilla lämmitetään vettä, vastus sijaitsee yleensä lämminvesivaraajassa. Sähkövastus toimii myös varajärjestelmänä lämpöpumpun vikaantumisen varalle. Vastuksen tehon riittävyys on kuitenkin tarkistettava, samoin kiinteistön sähköliittymän. Lisälämmitys voidaan hoitaa myös polttamalla puuta varaavassa takassa tai, erityisesti saneerauskohteissa, jo olemassa olevalla öljylämmityksellä, säilyttämällä vanha öljykattila huipputehoja varten. [1] Lämpöpumppujärjestelmää ja lisälämmitysjärjestelmää voidaan käyttää huipputehon aikana joko rinnan tai vuorotellen. Ensimmäisellä tavalla saadaan lämpöpumpulla tuotettua osa tehosta, kun taas jälkimmäisellä tavalla lisälämmitysjärjestelmä hoitaa koko lämmöntuotannon silloin, kun lämpöpumpun teho ei riitä. [8] Edullisin lämpöpumpun mitoitus riippuu sekä lämpöpumpun hinnan muutoksesta suhteessa tehoon että lisälämmityksen hinnasta. [1] Omakotitaloissa lämpöpumppu mitoitetaan yleensä suurempaan teho-osuuteen kuin suuremmissa kohteissa, sillä pienissä kohteissa teho-osuutta pienentämällä ei välttämättä saavuteta merkittävää säästöä kokonaiskustannuksissa. [8]
12 5. CASE LEHESVUORI Seuraavassa käsitellään todellista tilannetta, jossa Noormarkussa sijaitsevaan omakotitaloon suunnitellaan öljylämmityksen korvaamista lämpöpumpulla. Kyseinen yksikerroksinen 162 m 2 :n talo on rakennettu vuonna 1989, jolloin asennettiin myös nykyinen lämmitysjärjestelmä. Saunassa, pesuhuoneessa, kodinhoitohuoneessa ja takkahuoneessa on vesikiertoinen lattialämmitys, muissa huoneissa lämmitys tapahtuu vesikiertoisten pattereiden avulla. Talon käyttöveden lämmitys tapahtuu öljypolttimella. Öljylämmityksen lisäksi talossa on myös päiväsähkösopimus. Ilmanvaihto tapahtuu ilmastointilaitteella, jossa on koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto. Talossa asuu tällä hetkellä vakituisesti kolme henkilöä, mutta vakituinen asukasluku tulee piakkoin laskemaan kahteen. Viikonloppuisin asukasmäärä on, ja tullee myös jatkossa olemaan, neljä ja noin kahdeksana viikonloppuna vuodessa kuusi henkeä. Lämpöpumppujärjestelmän suunnittelu ja asennus vaativat asiantuntemusta, joten ne kannattaa antaa kokeneen yrityksen hoidettavaksi. Casen tarkoituksena onkin antaa taustatietoa ja pohtia mitkä lämpöpumpputyypit olisivat mahdollisesti parhaita vaihtoehtoja kyseisen talon lämmittämiseen ja millaisia käyttökustannuksia ja säästöjä olisi odotettavissa. Lämpöpumpun rakenne ja ominaisuudet riippuvat lämmönlähteestä ja lämmönjakotavasta. Tavallisimmat lämmönlähteet ovat maaperä, kallio, vesistö, ulkoilma ja rakennuksen poistoilma. Lämpöpumpuista käytetään myös erilaisia nimityksiä riippuen siitä, mikä energialähde on kyseessä. [18] Seuraavassa esitellään erilaiset lämpöpumpputyypit, käyttäen pohjana tätä case-tapausta. 5.1 Maalämpöpumppu Maalämpöpumpulla voidaan tarkoittaa lämpöpumppua, jonka lämmönlähteenä on joko maaperä, kallio tai vesistö. Lämpö saadaan maasta lämpöpumppuun lämmönkeruuputkistossa kiertävän liuoksen välityksellä. Liuoksena käytetään etanolin
13 tai etyleeniglykolin ja veden sekoitusta, joka ei jäädy. Liuoksen lämpötila ei talvellakaan laske kuin hieman alle 0 C:n, joten maalämpöpumpun hyötysuhde pysyy talvellakin hyvällä tasolla. [18] Maalämpöpumpulla voidaan myös tarvittaessa viilentää sisälämpötilaa. Tämä tapahtuu kierrättämällä keruuputkistossa olevaa viileää liuosta. [18] 5.1.1 Vaakaputkisto Aiemmin yleisin lämpöpumppu on ollut maasta vaakaputkistolla lämpöä ottava malli, joka hyödyntää maaperän jäätymislämpöä. [1] Vaakaputkistolla tarkoitetaan 1-1,2 metrin syvyyteen maanpinnasta asennettavaa lämmönkeruuputkistoa. Tärkeimmät käytön edellytykset vaakaputkistolle ovat sopiva maalaji ja riittävän suuri tontin pintaala. [11] Tarvittavan vaakaputkiston pituus riippuu rakennuksen lämmöntarpeesta, lämpöpumpun lämpökertoimesta, ilmastosta ja maalajista. Sopivin maalaji on hienorakenteinen ja kostea, kuten savi. Mitä huonommin maalaji soveltuu lämmönlähteeksi, sitä pidempi putkisto tarvitaan. Lämmönkeruuputkea tarvitaan noin 3-10m lämmitettävää neliötä kohden ja putkien etäisyys toisistaan tulee olla vähintään 1,5 metriä, eli putkistoa varten pihaa pitää kaivaa melko suurelta alueelta. [11] Tämä kannattaa huomioida, kun kyseessä on kohde, jossa piha on jo valmiiksi rakennettu. Casen tapauksessa vaakaputkisto ei tule kysymykseen, sillä talo ja piha on rakennettu kalliolle. Itse talo on istutettu kallioon, eikä tontilla ole kuin noin 20-40 cm muualta tuotua maata kallion päällä, joten lämmönkeruuputkistolle sopivaa paikkaa ei löydy. 5.1.2 Vesistöt lämmönlähteenä Vesistöistä voidaan ottaa lämpöä joko samalla toimintaperiaatteella kuin vaakaputkistolla, tai pumppaamalla vettä suoraan lämpöpumpun höyrystimeen. Jälkimmäinen tapa ei ole kovin yleinen, sillä järjestelmä vaatii huolellisen rakentamisen lisäksi tarkkaa seurantaa, jotta vältytään mahdolliselta jäätymiseltä. [11] Lämmönlähteenä vesistö on muita maalämpöpumpun lämmönlähteitä huomattavasti
14 parempi, esimerkiksi vaakaputkistoon verrattuna saatava teho on 2-3-kertainen. [11] Putkiston asentamisessa on kuitenkin otettava huomioon putkiston tarpeeksi hyvä ankkurointi, ettei se pääse irtoamaan pohjasta ja mahdollisesti vaurioitumaan sen takia. Valitettavasti case-talon lähellä ei ole vesistöjä, joten tämäkään ei ole sopiva vaihtoehto lämmönlähteeksi. 5.1.3 Pystyputki eli lämpökaivo Kolmas vaihtoehto maalämpöpumpun lämmönlähteeksi on kallioon porattava lämpökaivo, jonka toiminta perustuu peruskallioon ja pohjaveteen varastoituneen lämmön hyödyntämiseen. Koska lämmönlähteenä on kallio, voidaan tällaisia lämpöpumppuja kutsua myös kalliolämpöpumpuiksi. [18] Lämmönottoputket sijoitetaan suunnilleen pystysuoriin reikiin niin, että yhteen reikään tulee 2-4 putkea. Osa putkista toimii liuoksen menoputkina, osa taas paluuputkina. [1] Porattuihin reikiin nousee pohjavettä, joten putkien alapäähän tarvitaan riittävät painot, sillä putket liuoksineen ovat vettä kevyempiä. Lämpökaivosta saatava energian määrä, ja samalla tarvittava reiän syvyys, riippuu kaivon vedentuottokyvystä. Vaakaputkistoon verrattuna lämpökaivosta saatava energiamäärä on vähintään kaksinkertainen. [11] Jos case-taloon valitaan maalämpöpumppu, on lämpökaivo todennäköisesti paras vaihtoehto lämmönlähteeksi. 5.2 Lämpökaivon suunnittelu ja mitoitus Lämpökaivon tarkkaa syvyyttä ei voida vielä suunnitteluvaiheessa laskea, sillä lämpökaivon vedentuottokykyä ja pohjaveden virtauksien suuruutta on mahdoton arvioida etukäteen. Ne saadaan selville vasta porauksen aikana koepumppauksella. Jotta saataisiin jonkinlainen arvio kustannuksista, tulisi tarvittava syvyys kuitenkin arvioida. Arvioissa kannattaa olettaa lämpökaivon olevan niin sanottu kuiva kaivo, jolloin saatava lämpöenergian määrä on pienempi kuin märästä kaivosta saatava energian määrä. [11]
15 5.2.1 PoraTek Ry:n normikaivo Lämpökaivoa suunniteltaessa tulee ottaa huomioon, että sen on täytettävä Suomen kaivonporausurakoitsijat Ry:n, eli PoraTek Ry:n, normilämpökaivon vaatimukset. Normilämpökaivolla, kuva 3, määritellään minimivaatimukset, joilla lämpökaivo tehdään. Myös käytettävälle porauskalustolle asetetaan vaatimukset. Näin pyritään varmistamaan, että lämpökaivo on ammattimaisesti tehty ja käytetyt materiaalit ovat riittävän hyvät. Normilämpökaivolle annetaan myös 5 vuoden materiaali- ja toimintatakuu. [15] Kuva 3: Normilämpökaivo [15] Normilämpökaivon halkaisija on vähintään 130 mm ja se on sijoitettava niin, että myöhempi huolto on mahdollinen. Mitoituksessa on huomioitava paikalliset olosuhteet sekä kaivon kokonaissyvyyden lisäksi myös aktiivisyvyys, eli se kaivon pituus, joka on veden peitossa kaikkina vuodenaikoina. Vastuu oikeasta mitoituksesta on lämpöpumpun toimittajalla, eikä se kuulu normikaivolle annettavan takuun piiriin. [15] Normilämpökaivossa tulee käyttää suojaputkea, joka upotetaan 1-6m kallioon, jotta estetään pintaveden ja irtoaineksen pääsy kaivoon ja pohjaveteen. Jos kallion päällä on
16 alle 3 m:n maakerros, voidaan suojaputkena käyttää tarpeeksi kestävää muovista polyeteeni putkea, muussa tapauksessa tulee käyttää teräsputkea. Molemmat suojaputket tulee tiivistää esimerkiksi betonoimalla, kiristämällä kallioon tai laajenevilla tiivistysaineilla. Lisäksi lämpökaivo on vesieristettävä vähintään 6 m:n syvyyteen. [15] Lämmönkeruuputkina käytetään polyeteeniputkia, jotka on koeponnistettava ennen asennusta. Liittiminä käytetään hyväksyttyjä muoviliittimiä tai messinkiliittimiä, jotka kestävät sinkkikadon. Putkistossa kiertävän lämmönkeruuliuoksen on siedettävä -17 C jäätymättä. Lisäksi liuoksen tulee täyttää ympäristöhallinnon vaatimukset ja noudattaa kuljetus- ja liuosmääräyksiä. [15] Jos tarvitaan kaksi reikää, tulee niiden välisen etäisyyden olla vähintään 15 m. Pystysuoran reiän lisäksi voidaan reiät porata tarvittaessa myös vinoon. Tällöin voidaan reikien poraus aloittaa samasta kohdasta, kunhan huolehditaan, että keskinäinen asteistus on 25-30 astetta. Jos vinoreiät ovat etäällä toisistaan, voi asteistus olla pienempi. Jos lämpökaivo ei täyty vedellä, se täytetään. [15] 5.3 Ilmalämpöpumppu Ilmalämpöpumppu ottaa lämpöä ulkoilmasta jäähdyttämällä sitä muutaman asteen. Tämän jälkeen ilmalämpöpumppu luovuttaa lämmön joko sisäilmaan tai lämmitysjärjestelmässä kiertävään veteen. [1] Ensimmäisessä tapauksessa on kyseessä ilma-ilmalämpöpumppu, jälkimmäisessä ilma-vesilämpöpumppu. Ilmalämpöpumppu koostuu ulkoyksiköstä ja sisäyksiköstä. Molempien sijoituksessa on otettava huomioon, ettei kompressorin ja puhaltimien aiheuttama ääni häiritse. Ilma-ilmalämpöpumpun sisäyksikkö on myös sijoitettava niin, että puhaltimesta tuleva lämmin ilma pääsee leviämään kaikkiin lämmitettäviin tiloihin. [14] Ilmalämpöpumppu on yksinkertainen ja sen ansiosta myös muihin lämpöpumppuihin verrattuna edullinen. Haittapuolena on se, että ilmalämpöpumpun lämpökerroin laskee ilman lämpötilan laskiessa. Lämpötilan laskiessa alle noin -15 C on lämpökerroin jo niin huono, ettei lämmönotto ulkoilmasta enää kannata. Tämän takia ilmalämpöpumpun lisäksi tarvitaan Suomen olosuhteissa aina toinen lämmitysjärjestelmä, joka pystyy suurimmilla pakkasilla tuottamaan yksin tarvittavan lämmön. Ilma-ilmalämpöpumpulla ei myöskään voida lämmittää käyttövettä. Sekä
17 ilma-ilma-, että ilma-vesilämpöpumpussa ulkoyksikön lämpöä ottaville pinnoille kertyy huurretta. Voimakkainta tämä on välillä -5 C...+5 C. Huurre haittaa lämmönsiirtymistä ja ilman virtausta, joten se on ajoittain sulatettava pois. Tavallisin tapa on automaattisesti toimiva kuumakaasusulatus. [2], [14] Ilmalämpöpumput voidaan jakaa kahteen malliin, on/off- tai invertteri-malli, kompressorin toiminnan perusteella. On/off-mallissa kompressori kytkeytyy päälle ja käy vakionopeudella, kunnes haluttu sisälämpötila on saavutettu, jolloin kompressori pysähtyy. Kun lämpötila on laskenut riittävästi, kompressori lähtee uudelleen pyörimään. Kierrosnopeusohjatussa mallissa, eli invertterimallissa, kompressori käy aluksi nopeasti, kunnes haluttu lämpötila on saavutettu, jonka jälkeen kompressori hidastaa pyörimisnopeutta pitäen yllä tasaista lämpötilaa. On/off-malli on usein edullisempi, mutta invertteri-mallilla saadaan tasaisempi lämmitys. Lämpökertoimissa ei suurta eroa ole. [9] Ilmalämpöpumppua voidaan myös käyttää jäähdytyksessä. Tällöin koneiston toiminta käännetään niin, että sisäyksikkö toimii höyrystimenä jäähdyttäen sisäilmaa ja ulkoyksikkö toimii lauhduttimena siirtäen lämmön edelleen ulos. [3] 5.4 Poistoilmalämpöpumppu Rakennuksesta koneellisesti poistettavasta ilmasta voidaan ottaa talteen lämpöä jäähdyttämällä sitä poistoilmalämpöpumpulla. Jos rakennuksessa ei ole koneellista ilman sisääntulojärjestelmää, on lämpöpumppu ainoa tapa ottaa talteen poistuvan ilman lämpö. Tällöin korvaava ilma tulee sisään esimerkiksi ikkunoiden raoista tai raitisilmaventtiilien kautta. [1] Poistoilmalämpöpumpun höyrystimet sijoitetaan poistoilmavirtaan ja lämpö siirretään lämmitys- ja/tai käyttövesijärjestelmään lauhduttimesta. Tämä voitaisiin tehdä suoraan, mutta yleensä käytetään erillistä kiertopiiriä. [14] Järjestelmän toimivuuden takia tarvitaan jatkuva poistoilmavirta, jonka suuruuden tulee olla noin 0,5 kertaa rakennuksen ilmatilavuus tunnissa. [1] Case-talossa tämä tarkoittaa noin 200m 3 tunnissa, sillä huoneiden yhteenlaskettu tilavuus on 405m 3, kun huonekorkeus on 2,5m.
18 Poistoilmalämpöpumppu tulee valita sen perusteella, halutaanko sillä lämmittää vain käyttövesi, vain lämmitysjärjestelmässä kiertävä vesi, tai ilma, vai halutaanko lämpöpumpulla lämmittää molemmat. Rakennuksen sisäilman lämpötila pysyy yleensä lähes samana ympäri vuoden, joten poistoilmalämpöpumpulla voidaan ulkolämpötilasta riippumatta tuottaa aina jonkin verran lämpöä. Poistoilmasta saadaan kuitenkin vain osa tarvittavasta lämpötehosta, joten suurimman lämmitystarpeen aikana osa lämmöstä on tuotettava lisälämmitysjärjestelmällä. Yleensä lämpöpumppujärjestelmään kuuluu sähkövastukset, joilla lisälämmitys voidaan hoitaa. Jos sähkövastuksia ei ole, tarvitaan lämpöpumpun rinnalle toinen lämmitysjärjestelmä. [5], [14] Koska poistoilmaa jäähdytetään voimakkaasti, jäähdytyspatterin pintoihin saattaa tiivistyä vettä, joka on ohjattava viemäriin. [14] Jos poistoilmaa jäähdytetään lähelle 0 C, höyrystin huurtuu ja se on ajoittain sulatettava, esimerkiksi pysäyttämällä kompressori hetkeksi, jolloin poistoilma sulattaa höyrystimen. [2] Ilmalämpöpumpun tavoin myös poistoilmalämpöpumppua voidaan helposti käyttää rakennuksen jäähdyttämiseen vaihtamalla kompressorin ja lauhduttimen toiminnat keskenään. [3] Kuva 4: Poistoilmalämpöpumppujärjestelmä [14] 5.5 Lämpöpumppujen kustannukset ja säästöt Energioiden hinnat, erityisesti öljyn hinta, ovat kasvaneet voimakkaasti. Myös sähkön hinta on noussut. Tämä on ollut omiaan lisäämään kiinnostusta lämpöpumppuja ja muita vaihtoehtoisia lämmitysjärjestelmiä kohtaan. [16]
19 Lämpöpumppujärjestelmän hankintakustannukset koostuvat laitteen hinnasta ja asennuksesta. Hankintakustannukset vaihtelevat tapauskohtaisesti lämpöpumpputyypistä ja myyjästä riippuen. Esimerkiksi porakaivosta lämpöä ottavan maalämpöpumpun tapauksessa lämmönkeruuputkiston ja porakaivon kustannukset tuovat merkittävän lisän hankintakustannuksiin. [1] Motiva Oy:n internet-sivuilta löytyvän pientalojen lämmitysjärjestelmien vertailupalvelun perusteella tällaisen lämpöpumpun putkiston asennus ja porakaivon poraaminen maksavat yhteensä noin 3750 ja itse lämpöpumppu 9000. Poistoilmalämpöpumppu maksaisi asennettuna noin 6000. [13] Kun järjestelmää verrataan esimerkiksi öljylämmitykseen, pellettilämmitykseen tai suoraan sähkölämmitykseen, tulee hankintakustannusten lisäksi ottaa huomioon myös käyttökustannukset. Vertailun helpottamiseksi hankintakustannukset jaetaan useammalle vuodelle. Tämä vaatii tietyn korkokannan ja kuoletusajan valintaa. Arvioinnissa on aina epävarmuustekijöitä, mutta suuntaa antavia laskelmia voidaan tehdä. [1] 5.5.1 Suuntaa antavia laskelmia Koska asennettavaa lämpöpumppua ei ole vielä valittu, eikä sen hinta, lämpökerroin ja mitoitus ole siis tiedossa, ovat seuraavat laskelmat vain suuntaa antavia. Tulee myös ottaa huomioon, että öljyn ja sähkön hinnan kehitys vaikuttavat kustannuksiin ja säästöihin. Case-talon vuosittainen öljynkulutus on viimeisen kuuden vuoden aikana ollut keskimäärin 2165 l. Öljyn litrahinta on vaihdellut runsaasti, mutta käytettäessä viiden viimeisen öljylaskun litrahintojen keskiarvoa 0,7 /l, maksaisi lämmitykseen tarvittava öljy noin 1515 vuodessa. Vuotuisen lämmitysenergian ja lämpimän käyttöveden energiantarve on case-talossa ollut noin 21000 kwh. Nykyisessä sähkösopimuksessa sähkön hinta on 8,77 c/kwh, jota käyttäen suora sähkölämmitys tulisi maksamaan noin 1841 vuodessa. Laskettaessa lämpöpumpun käyttökustannuksia, oletetaan lämpökertoimen olevan 3. Taulukosta 1 nähdään tarvittavan sähköenergian osuuden olevan tällöin 33%, eli käyttökustannukset ovat noin 608 vuodessa, jos lämpöpumppu on mitoitettu täysteholle. Jos lämpöpumppu on mitoitettu esimerkiksi 50%:n osateholle, tulee