David Steen Daikin Europe Design Engineer steen.d@daikineurope.com Jan Logghe Daikin Europe Product Planning Officer logghe.j@bxl.daikineurope.com Uutta teknologiaa korkean lämpötilan lämpöpumppuihin Yleistä Ilmasta veteen lämpöpumput ovat yleistymässä entistä suositumpina energiatehokkaina vaihtoehtoina perinteisille kaasu- ja öljykattiloille. Suurimmassa osassa kotitalouksille tarkoitetuissa ilma-vesi lämpöpumpuissa on käytössä yksipiirinen kylmäainejärjestelmä, mikä on hyvä ratkaisu uusien talojen matalalämpötila (lattialämmitys) sovelluksiin. Saneerauskohteissa tarvitaan kuitenkin lämpimämpää vettä olemassa olevaan patteriverkostoon. Tätä valtavaa markkinarakoa kattamaan on kehitetty uusi energiatehokas korkean lämpötilan ilma-vesi lämpöpumppu. Tässä lämpöpumpussa hyödynnetään kahden kylmäainepiirin ns. kaskadi järjestelmää, mikä sopii erinomaisesti korkean lämpötilan sovelluksiin. 1. Miksi lämpöpumpuista tuli niin suosittuja? 1
Maailmanlaajuinen ympäristötietoisuus energiankulutuksessa johtaa suuriin haasteisiin kotitalouksien lämmityksessä. Tällä hetkellä lämmittäminen nojaa suurelta osin fossiilisiin polttoaineisiin ja vaihtoehtoja tarvitaan uuden aikakauden aloittamiseksi lämmitysjärjestelmien markkinoilla. Euroopassa 60 85 % energian kulutuksesta liittyy rakennusten ja käyttöveden lämmitykseen. Tämä vastaa 20 30 % hiilidioksidin kokonaispäästöistä. On siis selvää, että rakennusten lämmittämisen energiasäästöillä voidaan saada aikaan merkittäviä vähennyksiä myös hiilidioksidipäästöihin, ja tässä asiassa ilmasta veteen lämpöpumpuilla katsotaan olevan paljon potentiaalia. Ilma-vesi lämpöpumpuilla on mahdollisuus olla merkittävä tekijä Euroopan 20-20-20 tavoitteiden saavuttamisessa. Perinteisiin lämmitysjärjestelmiin verrattuna ilma-vesi lämpöpumpuilla on pienemmät hiilidioksidipäästöt, pienempi energian kulutus ja ne on hyväksytty laitteiksi, jotka käyttävät uusiutuvaa energiaa lämmönlähteenä (RES direktiivi). Tästä johtuen lämpöpumput ovat yksi ratkaisu kestävään kehitykseen rajallisten resurssien käytössä, ja siksi ilmasta veteen lämpöpumppujärjestelmät saavatkin entistä enemmän julkisuutta ja virallista huomiota. Lämpöpumppujen hyvä energiatehokkuus ja monipuolinen käyttökelpoisuus on myötävaikuttanut lämpöpumppujen suosion kasvuun merkittävästi. 2. Hyvin tunnettua lämpöpumpputeknologiaa matalalämpötilasovelluksissa. Ilma-vesi lämpöpumput ottavat talteen lämpöenergiaa ulkoilmasta ja siirtävät sen termodynaamisen prosessin avulla toiseen lämmönsiirtoaineeseen. Tällaisen laitteen lämmönsiirron mahdollistavat peruskomponentit ovat ulkoyksikössä ilmalämmönvaihdin ja sisäyksikössä levylämmönvaihdin, jossa lämpö siirretään lämmönjakojärjestelmään. Lämmönsiirtoaineena lämmönvaihtimien välillä käytetään kylmäainetta. Suurimmassa osassa matalalämpötila lämpöpumpuista on kylmäaineena R410A. Ulkoyksikön lämmönvaihtimessa (höyrystin) ulkoilman lämpöä siirretään R410A kylmäainepiiriin, jolloin kylmäaine höyrystyy. Tämän jälkeen kylmäainekaasu puristuu kompressorissa huomattavasti korkeampaan lämpötilaan. Puristusvaiheen jälkeen kylmäaine lauhdutetaan sisäyksikön levylämmönvaihtimessa (lauhdutin). Lauhduttimessa lämpö luovutetaan vesikiertoiseen lämmönjakojärjestelmään, jossa lämpö käytetään joko rakennuksen tai käyttöveden lämmittämiseen. Kylmäainepiirin paisuntaventtiili laskee kylmäaineen paineen höyrystymistasolle ja näin kierto jatkuu. Matalalämpötilasovelluksissa käytetty yksipiirinen kylmäainejärjestelmä on optimoitu toimivaksi noin 35 C vedelle, mikä on ihanteellinen lattialämmityskäytössä. R410A kylmäaineen ominaisuudet soveltuvat erittäin hyvin näihin olosuhteisiin. 3. Matalalämpötila lämpöpumpun testaus. Matalalämpötila lämpöpumppujärjestelmää testattiin kahden vuoden ajan Wienissä Itävallassa. 150m² talon lämmitystehon tarve suunnittelulämpötilassa -13,2 C oli 6,8kW. Mittaukset osoittivat järjestelmän hyötysuhteeksi 3,2 vuositasolla. On myös tärkeää arvioida käytetyn teknologian vaikutusta kasvihuoneilmiöön TEWI-arvolla (Total Equivalent Warming Impact) ja tutkia muita mahdollisia lämmönlähteitä. TEWIn avulla saadaan arvio hiilidioksidin kokonaispäästöistä, jolloin koko lämpöpumppujärjestelmän elinkaaren suorat ja välilliset päästöt otetaan huomioon (15 vuoden elinkaaritutkimus). Suorat päästöt ovat seurausta kylmäainepiirin vuodoista ja kylmäaineen talteenotoista, joiden arvioidaan olevan 30% kylmäainetäytöksen määrästä 15 vuoden elinkaaren aikana. Välilliset päästöt tulevat lämpöpumpun käytön tarvitseman sähköenergian tuotannosta. Itävallan sähköntuotannossa on keskimääräistä matalammat CO 2 päästöt kuin 2
muualla Euroopassa. Öljylämmitykseen verrattuna CO 2 päästöjä voidaan vähentää 68%, jos lämpöpumppua käytetään Itävallan sähköntuotantojärjestelmän sähköllä. Kaasulämmitykseen verrattuna CO 2 päästöt olisivat 57% pienemmät. Jos lämpöpumpun käyttöä mitataan keskimääräisen eurooppalaisen sähköntuotannon EU25 mukaan, vastaavat luvut olisivat öljylämmityksen osalta 61% ja kaasulämmityksen 47% pienemmät CO 2 päästöt. Nämä luvut vahvistavat ilma-vesi lämpöpumppujen merkittävää potentiaalia CO 2 päästöjen vähentämisessä. 4. Askel saneerauskohde markkinoille. Markkinoilla on valtava kysyntä energiatehokkaille lämpöpumppujärjestelmille, jotka soveltuvat saneerauskohteisiin. Moni haluaa korvata vanhan fossiilista polttoainetta käyttävän kattilan modernilla ja energiatehokkaalla lämmitysjärjestelmällä. Kondensoiva kattila on tällä hetkellä tavallisin ratkaisu tällaisiin kohteisiin. Kondensoivalla kattilalla on kuitenkin paljon huonompi hyötysuhde kuin millä tahansa lämpöpumppulaitteistolla uudisrakennuksessa. Lämpöpumpulla, joka korvaa kondensoivan kattilan saneerauskohteissa huomattavasti energiatehokkaampana järjestelmänä, on suuri vaikutus energiankulutukseen, uusiutuvien energialähteiden käyttöön sekä CO 2 päästöihin tulevaisuudessa. Lämpöpumpuilla on joitain käytännön rajoituksia mahdollisessa soveltuvuudessa saneerauskohteisiin. Suurimpaan osaan rakennuksista on asennettu korkean lämpötilan radiaattoriverkosto (patteri) lämmitystä varten. Näissä radiaattoreissa käytetään tyypillisesti 65 C vettä 10 C:n meno- ja paluuveden lämpötilaerolla. Hyvin usein saneerauskohteissa alkuperäinen patteriverkosto halutaan säilyttää kustannussyistä, mikä tarkoittaa sitä, että lattialämmitys lämpöpumpulla ei ole näissä kohteissa edes kilpailukykyinen vaihtoehto. Lattialämmitys on kuitenkin tähän asti ollut se yleisin lämmönjakojärjestelmä lämpöpumppusovelluksissa. Kondensoivan kattilan käyttö vanhassa patteriverkostossa ei ole energiatehokasta, sillä kattilan tehokkuuden perustana olevaa kondensoitumista tuskin tapahtuu korkeissa lämpötiloissa. 5. Miksi uutta teknologiaa tarvitaan? Matalalämpötila lämpöpumppu yhdellä kylmäainepiirillä kykenee tuottamaan enintään noin 55 C vettä. Markkinoilla on joitakin keskilämpötila-alueen lämpöpumppuja, jotka kaksi aste puristuksella saavuttavat korkeamman painetason. Keskilämpötila-alueen lämpöpumpuilla, joissa on yksi kylmäainepiiri kaksivaiheisella puristuksella, saadaan aikaan noin 65 C vettä. Ne on mahdollista liittää vanhaan patteriverkostoon, jolloin investointikustannukset ja rakennustöiden tarve pienenevät. Vanha kattila siis korvataan energiatehokkaammalla lämpöpumpulla, joka kytketään olemassa olevaan lämmönjakolaitteistoon, eikä muita muutostöitä tarvita. Keskilämpötila-alueen lämpöpumppujen edut ovat kuitenkin rajalliset verrattuna kondensoivaan kattilaan. Keskilämpötila-alueen lämpöpumput, joilla tuotetaan 65 C vettä, toimivat suorituskykynsä äärirajoilla, mikä johtaa heikkoon energiatehokkuuteen näissä toimintaolosuhteissa. Tämän ison markkina-alueen kysyntään vastaamiseen tarvitaankin uutta korkeissa lämpötiloissa toimivaa energiatehokasta teknologiaa. 6. Kaskadi tekniikka on ratkaisu Ensimmäinen kotitalouskäyttöön tarkoitettu korkean lämpötilan lämpöpumppu kahdella kylmäainepiirillä esiteltiin heinäkuussa 2009. Kaskadi tekniikan tarkoitus on saavuttaa tai toimia korkeammalla paine- ja lämpötilatasolla kuin yksipiirinen lämpöpumppu. 3
Tarkoituksena on hyödyntää kummankin kylmäainepiirin parhaita toiminnallisia ominaisuuksia. Keskeisin määrittelevä tekijä on välilauhtumislämpötila-alue, joka tasapainottaa toimintapaineet ja varmistaa vakaan toiminnan. Korkean lämpötila-alueen lämpöpumpuissa käytetään R410A ja R134a kylmäaineita. R410A kylmäaineella on erinomaiset ominaisuudet matalissa höyrystymislämpötiloissa, mutta heikommat ominaisuudet korkeissa lauhtumislämpötiloissa, johtuen kriittisen pisteen suhteellisen alhaisesta lämpötilasta. Vakaat toiminnalliset ominaisuudet korkeassa lämpötilassa on tyypillistä R134a kylmäaineelle, kun taas toisaalta matalissa lämpötiloissa sen suorituskyky ei ole niin hyvä. Järjestelmän toiminta voidaan kuvata LogPh-diagrammin avulla (Kuva 1). Molempien kylmäainepiirien yhtäaikainen toiminta optimaalisissa olosuhteissa johtaa energiatehokkaaseen lämpöpumppuun jopa 80 C lähtevän veden lämpötilalla, laajalla toimintalämpötila-alueella aina -25 C asti. Tärkeintä on erittäin hyvä energiatehokkuus 65 C lähtevän veden lämpötilassa (liitetty olemassa olevaan patteriverkostoon), mikä on huomattavasti parempi kuin yksipiirisillä lämpöpumpuilla. Kuva 1: Kaskadi järjestelmä LogPh-diagrammissa 7. Miten kaskadi laite toimii? Kuvassa 2 on kaskadi lämpöpumpun putkikaavio. Ensimmäinen R410A kylmäainepiiri toimii sisä- ja ulkoyksikön välillä, toinen R134a kylmäainepiiri on sisäyksikössä. Molempien kylmäainepiirien kompressorit ovat taajuusmuuttajakäyttöisiä. Ensimmäisen R410A kylmäainepiirin toiminta on hyvin samankaltainen kuin yksipiirisen matalalämpötila-alueen lämpöpumpun toiminta. Ulkoyksikön höyrystimessä R410A kylmäaineeseen siirtyy lämpöä ulkoilmasta. Kylmäaineen höyrystymisen jälkeen ensimmäinen invertterikäyttöinen kompressori nostaa kylmäaineen paineen ja lämpötilan nk. välilauhtumislämpötilaan. R410A kylmäaineessa oleva lämpö siirtyy sisäyksikön ensimmäisessä levylämmönvaihtimessa R134a kylmäaineeseen. Toinen invertterikäyttöinen kompressori nostaa kylmäaineen paineen ja lämpötilan toisen asteen lauhtumislämpötilaan. Lopulta R134a kylmäaine lauhtuu sisäyksikön toisessa levylämmönvaihtimessa lämmittäen lämmitysverkoston veden maksimissaan jopa 80 C lämpötilaan. 4
Kuva 2: Kaskadi lämpöpumpun putkikaavio 8. Hyvä energiatehokkuus korkeilla veden lämpötiloilla ja matalissa ulkolämpötiloissa Järjestelmän erittäin energiatehokas toiminta ja hyvät tekniset ominaisuudet ovat seurausta kahden erillisen kylmäainepiirin käytöstä. Lämpöpumpun toimiessa R410A kylmäainepiirin lauhtumislämpötila on muuttuva, jolloin ulkolämpötila ei vaikuta suoraan R134a kylmäainepiirin toimintaan. R134a kylmäainepiirin tasapainoinen toiminta on mahdollista R410A kylmäainepiirin lauhtumislämpötilan säädön ansiosta. Järjestelmän tarkoituksenmukainen toiminta saadaan aikaan tämän välilauhtumislämpötilan ylläpidolla ja säädöllä. Suurin osa ilma-vesi lämpöpumpuista menettää lämmitystehoaan ulkolämpötilan laskiessa, johtuen kylmäaineen massavirran pienenemisestä. Tämä massavirran pieneneminen ulkolämpötilan laskiessa johtuu taas kompressorille tulevan kylmäaineen paineen huomattavasta pudotuksesta. Lämmitysteho voidaan laskea kertomalla massavirta kylmäaineen entalpiaerolla lauhduttimessa. Pieni entalpiaeron kasvu (Kuva 3) ei riitä kompensoimaan matalasta ulkolämpötilasta johtuvaa kylmäaineen massavirran pienenemistä. Kuva 3: Ulkolämpötilan laskun vaikutus termodynaamiseen prosessiin 5
Kaskadi järjestelmä on ratkaisu massavirran pudotuksesta johtuviin ongelmiin alhaisissa ulkolämpötiloissa. Nimellisolosuhteissa ulkoyksikön kompressorin taajuusmuuttaja ei ole maksimitaajuudella. Tämä tarkoittaa sitä, että R410A kylmäainepiirin kompressorin pyörimisnopeutta voidaan lisätä ulkolämpötilan laskiessa. Taajuuden lisäys kompensoi laskevasta ulkolämpötilasta ilma-vesi lämpöpumpuissa normaalisti aiheutuvan massavirran pienenemisen. Tyypillisistä termodynaamisista ominaisuuksista johtuen (katso Kuva 1) on selvää, että ulkoyksikkö on suunniteltu siten, että siinä on reserviä tuottamaan riittävä entalpiaero lauhduttimessa lämpimän veden tuottamiseksi muuttuvissa olosuhteissa. Tämä mahdollistaa maksimi lämmitystehon (ilman sulatusjaksoja) -7 C ulkolämpötilaan asti ja aiheuttaa ainoastaan pienen pudotuksen -20 C ulkolämpötilassa. Tästä johtuen kaskadi järjestelmä toimii matalissakin suunnittelulämpötiloissa ilman sähkölämmitintä. Alempi käyrästö kuvassa 4 kuvaa kolmen eri teholuokan (11, 14 ja 16kW) toiminnallisia tehoja (sulatusjaksot mukana) lähtevän veden lämpötilan ollessa 65 C ja ulkolämpötilan 15 C ja -20 C välillä. Ylempi käyrästö kuvaa 14kW:n lämpöpumpun hyötysuhteen muutosta (sulatusjaksot mukana) lähtevän veden lämpötilan ollessa 45-80 C ja ulkolämpötilan 15-- 20 C. HC = f(ta, cap class), TLW = 65 C COP = f(ta,tlw), cap class = EKHBRD 014 HC (kw) 24,00 22,00 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 COP HC (kw) 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 COP 8,00-20 -15-10 -5 0 5 10 15 Ta ( C) EKHBRD 011 EKHBRD 014 EKHBRD 016 TLW = 45 C TLW = 55 C TLW = 65 C TLW = 75 C TLW = 80 C 0,00 Kuva 4: Lämmitystehon ja hyötysuhteen muutos ulkolämpötilan muuttuessa 9. Korkea hyötysuhde käyttöveden lämmityksessä Kaskadi järjestelmällä voidaan tuottaa maksimissaan 80 C lämmintä vettä, mistä johtuen se on erittäin energiatehokas tapa lämmittää käyttövettä. Kaskadi järjestelmällä voidaan käyttövesi lämmittää jopa 75 C asteiseksi ilman sähkölämmitintä. Kuvassa 5 on simulointi käyttöveden lämmittämisestä 15 C asteesta 70 C asteeseen (mitattu säiliön eri kohdista) ulkolämpötilan ollessa 7 C. Simulointi osoittaa keskimääräisen COP arvon olevan 2,7 tässä nimenomaisessa tapauksessa. Tämä on valtava parannus verrattuna yksipiirisiin lämpöpumppuihin ja jopa keskilämpötila-alueen lämpöpumppujen hyötysuhde putoaa merkittävästi lähestyttäessä 60 C asteen käyttöveden lämpötilaa. Jos tarvitaan korkeampia 6
veden lämpötiloja esimerkiksi legionella bakteerin pakolliseen torjuntaan muut lämpöpumput joutuvat turvautumaan sähkölämmitykseen, millä on tietenkin suuri vaikutus kokonaisenergiatehokkuuteen. Figure 5: Käyttöveden lämmitys (lämmitys 15 asteesta 70 C asteeseen) 10. Tehokkuus vuositasolla Kuvissa 6 ja 7 on kuvattu kahden korkean lämpötilan kaskadi lämpöpumpun toimintaa ja tehokkuutta vuositasolla (vain rakennuksen lämmitys). Ensimmäinen on 14kW:n laite Brysselissä, mitoituslämpötilana -8 C. Toinen kuvaaja on 16kW:n laitteesta Tukholmassa, mitoituslämpötilana -17 C. Molemmissa testeissä lämmitystehontarve on 11kW mitoituslämpötilassa ja molemmat lämpöpumput lämmittävät 65 C patteriverkostoa 10 C lämpötilaerolla. Brysselissä testitulokset antavat lämpöpumpun vuotuiseksi hyötysuhteeksi 3,1 ja Tukholmassa vastaava vuotuinen hyötysuhde on 2,7. Jos otamme huomioon Euroopan Unionin sähköntuotannon keskimääräisen primäärienergiakertoimen 2,5, voimme verrata kaskadi lämpöpumpun primäärienergiatehokkuutta 65 C lähtevän veden lämpötilalla toimiviin kattilalämmityslaitteisiin. Brysselin kohteessa lämpöpumpun primäärienergiatehokkuudeksi saadaan 124% ja Tukholman 108%. Verrattuna öljykattilan (80%), kaasukattilan (85%) ja kondensoivan kattilan (90%) primäärienergiatehokkuusarvoihin, kaskadi lämpöpumppujärjestelmillä saadaan aikaan suuremmat säästöt primäärienergian kulutukseen saneerauskohteissa, mikä johtaa taas vastaavasti pienempiin CO 2 kokonaispäästöihin. 7
Kuva 6: Testiajo Brysselissä (Tdes = -8 C) 14kW:n laite Figure 7: Testiajo Tukholmassa (Tdes = -17 C) 16kW:n laite 11. Johtopäätös Rakennusten energiansäästötoimenpiteillä on saavutettavissa valtavia säästöjä primäärienergian kulutuksen ja CO 2 päästöjen suhteen. Yhden kylmäainepiirin lämpöpumppujärjestelmät ovat tulossa yhä tärkeämmäksi osaksi uudisrakennuskantaa ja ovat 8
siten erittäin tärkeä osa energian säästötoimenpiteitä. Vanhojen rakennusten lämmitysjärjestelmät ovat yleensä korkealla veden lämpötilalla toimivia patteriverkostoja. Näiden rakennusten perinteiset kattilalämmityslaitteet on nyt mahdollista korvata uudella kahden kylmäainepiirin kaskadi lämpöpumppujärjestelmällä, jolla voidaan lämmittää vesi jopa 80 C asteiseksi erittäin energiatehokkaasti. Tästä syystä järjestelmä on mahdollista liittää osaksi olemassa olevaa korkean lämpötilan patteriverkostoa, mikä ei ollut mahdollista yksipiirisillä lämpöpumpuilla. Erittäin energiatehokkaana vaihtoehtona kondenssikattilalle saneerauskohteissa, kaskadi lämpöpumpuilla on tulevaisuudessa kasvava merkitys taistelussa kasvavaa energiankulutusta ja CO 2 päästöjä vastaan. 9